Внутреннее строение солнца и звезд главной последовательности кратко
Обновлено: 30.06.2024
Строение Солнца
Мы не можем непосредственно заглянуть внутрь Солнца, поэтому представление о его внутреннем строении получаем только на основе теоретического анализа, используя наиболее общие законы физики и такие характеристики Солнца, как масса, радиус, светимость.
Солнце не расширяется и не сжимается, оно находится в гидростатическом равновесии, так как силе гравитации, стремящейся сжать Солнце, препятствует сила газового давления изнутри.
Расчеты показывают, что для поддержания гидростатического равновесия температура в центре Солнца должна быть примерно 15 • 10 6 К. На расстоянии 0,7R температура падает до порядка 10 6 К. Плотность вещества в центре Солнца около 1,5 • 10 5 кг/м 3 , что более чем в 100 раз выше его средней плотности.
Термоядерные реакции протекают в центральной области Солнца радиусом, примерно равным 0,3R. Эта область получила название ядра. Вне ядра температура недостаточна для протекания термоядерных реакций.
Энергия, выделившаяся в ядре Солнца, переносится наружу, к поверхности, двумя способами: лучистым и конвективным переносами. В первом случае энергия переносится излучением; во втором — при механических движениях нагретых масс вещества.
Лучистый перенос энергии происходит в ядре до расстояний (0,6—0,7) R от центра Солнца, далее к поверхности энергия переносится конвекцией. Проявление конвекции наблюдается в виде грануляции в фотосфере. Полное время, которое требуется энергии, выделившейся в ядре, чтобы достигнуть поверхности Солнца, составляет около 10 млн лет. Так что тот свет и тепло, которые согревают и освещают нашу Землю сегодня, были выработаны в термоядерных реакциях в центре Солнца 10 млн лет назад.
Конечно, астрономы ищут способы заглянуть внутрь Солнца и проверить теоретические представления о его строении. На этом пути им на помощь пришли физики, изучающие элементарные частицы. Дело в том, что при термоядерных реакциях синтеза гелия из водорода наряду с выделением энергии происходит рождение элементарных частиц — нейтрино. В отличие от излучения нейтрино практически не задерживается веществом. Возникая в недрах Солнца и распространяясь со скоростью, близкой к скорости света, они через 2 с покидают поверхность Солнца и через 8 мин достигают Земли. Для наблюдений солнечных нейтрино был построен специальный нейтринный телескоп, который в течение многолетних наблюдений и зарегистрировал ожидаемый поток нейтрино от Солнца. Эти наблюдения окончательно подтвердили правильность наших теоретических моделей строения Солнца как звезды. Поэтому мы в полной мере можем использовать полученные результаты для разработки моделей других звезд. Другие звезды главной последовательности по строению во многом похожи на Солнце.
Красные гиганты и сверхгиганты
Отличительной особенностью этих звезд является отсутствие ядерных реакций в самом центре, несмотря на высокие температуры. Ядерные реакции протекают в тонких слоях вокруг плотного центрального ядра. Так как температура звезды уменьшается к поверхности, то в каждом слое идет определенный тип термоядерных реакций. В самых внешних слоях ядра, где температура составляет около 15 • 10 6 К, из водорода образуется гелий; глубже, где температура выше, из гелия образуется углерод; далее из углерода — кислород, и в самых глубоких слоях у очень массивных звезд при термоядерных реакциях образуется железо. Более тяжелые химические элементы образовываться с выделением энергии не могут. Наоборот их образование требует затраты энергии. Итак, в красных гигантах и сверхгигантах формируются слоевые источники энергии и образуется большинство химических элементов вплоть до атомов железа.
Белые карлики
Эти звезды были названы белыми карликами, так как сначала среди них были обнаружены звезды белого цвета, а значительно позже — желтого и других цветов. Размеры их небольшие, всего лишь тысячи и десятки тысяч километров, т. е. сравнимые с размерами Земли. Но их массы близки к массе Солнца, и поэтому их средняя плотность сотни килограммов в кубическом сантиметре. Примером такой звезды служит спутник Сириуса, обозначаемый обычно как Сириус В. У этой звезды спектрального класса А с температурой 9000 К диаметр лишь в 2,5 раза превышает диаметр Земли, а масса равна солнечной, так что средняя плотность превышает 100 кг/см 3 .
Пульсары и нейтронные звезды
В 1967 г. астрономы с помощью радиотелескопов обнаружили удивительные радиоисточники, которые испускали периодические импульсы радиоизлучения. Эти объекты получили название пульсары. Периоды импульсов пульсаров, которых сейчас известно свыше 400, заключены в пределах от нескольких секунд до 0,001 с. Удивляла высокая стабильность повторения импульсов; так, первый открытый пульсар, который обозначается как PSR 1919, расположенный в неприметном созвездии Лисички, имел период Т = 1,33 730 110 168 с (рис. 16.3). Высокая стабильность периода, доступная только при измерении современными атомными часами, заставила вначале предположить, что астрономы имеют дело с сигналами, посылаемыми внеземными цивилизациями. В конце концов было доказано, что явление пульсации возникает в результате быстрого вращения нейтронных звезд, причем период следования импульсов равен периоду вращения нейтронной звезды.
Эти необычные звезды имеют радиусы около 10 км и массы, сравнимые с солнечной. Плотность нейтронной звезды фантастическая и равна 2 • 10 17 кг/м 3 . Она сравнима с плотностью вещества в ядрах атомов. При такой плотности вещество звезды состоит из плотно упакованных нейтронов. По этой причине такие звезды получили название нейтронных звезд.
Черные дыры
В конце XVIII в. известный астроном и математик П. Лаплас (1749—1827) привел простые, основанные на теории тяготения Ньютона рассуждения, которые позволили предсказать существование необычных объектов, получивших название черные дыры. Известно, что для преодоления притяжения небесного тела массой М и радиусом R нужна вторая космическая (параболическая) скорость При меньшей скорости тело станет спутником небесного тела, при ν ≥ ν2 оно навсегда покинет небесное тело и никогда не вернется к нему. Для Земли ν2 = 11,2 км/с, на поверхности Солнца ν2 = 617 км/с. На поверхности нейтронной звезды массой, равной массе Солнца, и радиусом около 10 км ν2 = 170 000 км/с и составляет всего около 0,6 скорости света. Как видно из формулы, при радиусе небесного тела, равном R = 2GM/c 2 , вторая космическая скорость будет равна скорости света с = 300 000 км/с. При еще меньших размерах вторая космическая скорость будет превышать скорость света. По этой причине даже свет не сможет покинуть такое небесное тело и дать информацию о процессах, происходящих на его поверхности, нам — далеким наблюдателям.
Если такие объекты во Вселенной существуют, то они являются как бы дырами, куда все проваливается и откуда ничего не выходит. Поэтому в современной литературе за ними укоренилось такое название — черные дыры.
В настоящее время обнаружены черные дыры в составе двойных звездных систем. Так, в созвездии Лебедя наблюдается тесная двойная система, одна из звезд, излучающая видимый свет, — обычная звезда спектрального класса В, другая — невидимая звезда малого размера — излучает рентгеновские лучи и имеет массу около 10М. Эта невидимая звезда представляет собой черную дыру с размерами около 30 км. Рентгеновское излучение испускает не сама черная дыра, а нагретый до нескольких миллионов градусов диск, вращающийся вокруг черной дыры. Этот диск состоит из вещества, которое черная дыра своим тяготением вытягивает из яркой звезды (рис. XV на цветной вклейке).
Теоретические представления о внутреннем строении звезд главной последовательности были подтверждены прямыми наблюдениями потоков нейтрино из солнечного ядра.
В некоторых двойных звездных системах обнаружены черные дыры.
Эволюция звезд: рождение, жизнь и смерть звезд
В Млечном Пути наблюдаются газопылевые облака. Некоторые из них настолько плотные, что начинают сжиматься под действием собственного тяготения. По мере сжатия плотность и температура облака повышается, и оно начинает обильно излучать в инфракрасном диапазоне спектра. На этой стадии сжатия облако получило название протозвезда. Когда температура в недрах протозвезды повышается до нескольких миллионов кельвинов, в них начинаются термоядерные реакции превращения водорода в гелий и протозвезда превращается в обычную звезду главной последовательности. Продолжительность пребывания звезд на главной последовательности определяется мощностью излучения звезды (светимостью) и запасами ядерной энергии.
После выгорания водорода в недрах звезды она раздувается и становится красным гигантом или сверхгигантом в зависимости от массы.
Раздувшаяся оболочка звезды небольшой массы уже слабо притягивается ее ядром и, постепенно удаляясь от него, образует планетарную туманность (рис. X на цветной вклейке). После окончательного рассеяния оболочки остается лишь горячее ядро звезды — белый карлик. От звезды типа Солнца останется углеродный белый карлик.
Эволюция массивных звезд происходит более бурно. В конце своей жизни такая звезда может взорваться сверхновой звездой, а ее ядро, резко сжавшись, превратиться в сверхплотный объект — нейтронную звезду или даже в черную дыру. Сброшенная оболочка, обогащенная гелием и другими тяжелыми элементами, образовавшимися в недрах звезды, рассеивается в пространстве и служит материалом для формирования звезд нового поколения. В частности, есть основания полагать, что Солнце — звезда второго поколения.
В процессе эволюции протозвезда переходит на стадию звезды главной последовательности, исчерпав водород в ядре, становится красным гигантом. Звезды типа Солнца становятся белыми карликами, а звезды с большими массами взрываются и становятся либо нейтронными звездами, либо черными дырами.
Параметры
Солнце — звезда спектрального класса G2, желтый карлик. Его масса оценивается в 2·10 30 кг, а радиус составляет 696 тысяч километров. В химическом составе светила сильно преобладает водород (90 %), за ним следует гелий (10 %) и более тяжелые элементы (менее 0,1 %). Источники энергии и внутреннее строение Солнца тесно связаны с соотношением и преобразованием этих атомов.
В каждой точке светила постоянно поддерживается равновесие двух противоположных сил: тяготения и давления газа. Благодаря их гармоничному соотношению Солнце является более или менее стабильным космическим телом. Аналогичный механизм лежит в основе поддержания постоянства всех звезд.
Термоядерный котел
Модель внутреннего строения Солнца сформирована благодаря данным наблюдения, теоретического анализа, спектроскопии и другим методам астрономии. На основе собранной таким образом информации определяются характеристики звезды. Выведенные закономерности и созданные теории существуют до тех пор, пока они хорошо объясняют видимые изменения, происходящие со светилом и другими аналогичными звездами главной последовательности.
Согласно современным представлениям основным источником солнечного излучения являются термоядерные реакции, постоянно протекающие в его ядре. При крайне высоких температурах (14 млн кельвинов) происходит преобразование водорода в гелий. При этом выделяется внушительное количество энергии.
Внутреннее строение Солнца — это три зоны: ядро, изотермическая и конвективная область. Сердцевина светила занимает примерно четвертую часть его радиуса и представляет собой очень сильно сжатое вещество. Масса ядра — практически половина от общей солнечной. Именно здесь и протекают реакции синтеза элементов.
Далее следует изотермическая зона. Здесь образовавшаяся в ходе реакций в ядре энергия переносится путем излучения. Это наиболее протяженная зона. Энергия медленно просачивается сквозь нее. По мере ее продвижения уменьшается температура и давление в недрах Солнца. При определенных показателях этих параметров возникают конвекционные процессы — начинается следующий слой светила. Здесь перенос энергии осуществляется самим веществом. Конвективная зона у Солнца гораздо меньше изотермической (седьмая часть радиуса).
Близкие по структуре
Внутреннее строение Солнца и звезд главной последовательности схоже. Оно несколько отличается в случае голубых звезд и красных карликов. Для первых характерны конвективное ядро и достаточно протяженная зона лучистого переноса (изотермическая). Красные карлики по последовательности расположения слоев схожи со звездами типа Солнца. Однако у них доминирует зона конвекции, а лучистый перенос занимает лишь сравнительно небольшой участок.
Атмосфера
Привычной для нас поверхности у Солнца нет. Оно, как и все звезды, представляет собой светящийся газовый шар. Поверхность выделяется условно и разграничивает конвективную зону светила и его атмосферу. В ней также выделяют три слоя.
Внутреннее строение Солнца и звезд главной последовательности, схожих с ним, заканчивается зоной конвекции. Она непосредственно граничит с фотосферой, 300-метровым слоем, откуда излучение устремляется в космос, в том числе к Земле. Средняя температура этой части — 5800 К. По мере удаления от конвективного слоя она падает до значения в 4800 К. Фотосфера сильно разрежена. Ее плотность в тысячу раз меньше аналогичного параметра воздуха на Земле. Постепенно она перетекает в хромосферу, за которой располагается корона Солнца.
Состав атмосферы
Содержание тех или иных элементов во внешних оболочках светила определяется при помощи спектрального анализа. Его данные показывают, что по химическому составу атмосферы Солнце аналогично звездам второго поколения (они образовались в течение последних нескольких миллиардов лет). В отличие от своих предшественников они характеризуются гораздо большей концентрацией атомов элементов, тяжелее водорода и гелия. Солнце и аналогичные ему светила сформировались после разрушения части звезд первого поколения, в недрах которых в процессе термоядерного синтеза и образовались тяжелые элементы.
Хромосфера
Температура здесь выше, чем на предыдущем слое. Такое явление объясняется понижением плотности вещества. В верхних слоях хромосферы температура достигает 50 тысяч кельвинов.
Корона
Линия спектра водорода перестает быть различимой на высоте 12 тысяч километров над фотосферой. Чуть дальше заметен след кальция. Его линия спектра исчезает еще через 2 000 км. Высоту в 14 000 км над фотосферой принято считать началом короны, третьей внешней оболочки нашего светила.
Чем выше от условной поверхности Солнца, тем менее плотным становится воздух и значительнее температуры. Корона, представляющая собой разреженную плазму, разогревается до 2 млн кельвинов. В результате этого вещество области становится постоянным мощным источником рентгеновского и ультрафиолетового излучения.
Исследования показывают, что протяженность короны составляет 30 солнечных радиусов. Чем дальше от хромосферы, тем менее плотной она становится. Последний ее слой перетекает в космическое пространство, образуя солнечный ветер.
Будущее
Внутреннее строение Солнца, как его видят сегодня ученые, будет таким не вечно. Рано или поздно, по прогнозам примерно через 5 млрд лет, светило исчерпает запас топлива. В результате внутреннее строение Солнца сильно поменяется: ядро сожмется до размеров, в 100 раз меньших современных габаритов светила, а его остальные оболочки превратятся в медленно остывающую атмосферу. Наша звезда войдет в стадию красного гиганта. Еще через несколько десятков тысяч лет расширившаяся оболочка Солнца рассеется в космическом пространстве и светило превратится в белого карлика.
Сомнения
Развитие события может пойти и по другому сценарию, поскольку источники энергии и внутреннее строение Солнца, а также аналогичных ему звезд, все-таки изучены не до конца. Высказываются предположения, что термоядерный синтез не играет столь важную роль, какую ему приписывают. Косвенное подтверждение этому — солнечное нейтрино, точнее, его отсутствие. Эти частицы образуются в процессе термоядерных реакций и обладают мощнейшей пробивной способностью, то есть должны беспрепятственно добираться до Земли. Однако зафиксировать их пока не удалось.
Интересны и данные группы астрономов под руководством академика А.Б. Северного. Согласно им Солнце испытывает незначительные колебания. Они возможны только при условии однородности светила. То есть если бы удалось запечатлеть внутреннее строение Солнца, фото продемонстрировало бы полное единообразие слоев. При этом температура ярда светила должна составлять 6,5 миллиона кельвинов, что мало для протекания термоядерных реакций. Пока эта гипотеза лишь набирает силу.
Таким образом, внутреннее строение Солнца, кратко изложенное здесь, требует дальнейшего внимательного изучения. Возможно, окончательное понимание процессов, происходящих в недрах светил, станет доступно для нас только после значительного усовершенствования аппаратуры и методов познания.
На этом уроке мы с вами вспомним, каково внутреннее строение Солнца. Поговорим о размерах звёзд и составе вещества, из которого они состоят. Рассмотрим некоторые модели внутреннего строения звёзд различных спектральных классов. А также познакомимся с некоторыми необычными объектами нашей Вселенной.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока "Внутреннее строение Солнца и звёзд"
Расчёты средней плотности звёзд различных типов, проведённые на основе имеющихся данных об их массе и размерах, показывают, что она может значительно отличаться. Так, например, средняя плотность самой большой из известных на сегодняшний день звёзд гипергиганта UY Щита составляет всего около 2 · 10 –6 кг/м 3 . То есть плотность этой звезды почти в 2 000 000 раз меньше плотности воздуха при нормальных условиях.
Итак, согласно данной модели, в центре нашей звезды находится ядро, радиус которого может достигать 150—175 тыс. километров. Расчёты показывают, что температура в центре Солнца достигает 15 · 10 6 К, а плотность вещества более чем в 100 раз превышает его среднюю плотность. Высокая плотность и температура ядра создают благоприятные условия для протекания в нём термоядерных реакций.
В последней трети радиуса Солнца находится конвективная зона, в которой передача энергии осуществляется посредством перемешивания, то есть конвекции.
Конвективная зона простирается практически до самой видимой поверхности Солнца — атмосферы.
Конечно, мы не можем заглянуть внутрь Солнца и убедится в правильности модели его строения. Однако знание физики элементарных частиц позволило убедиться в её правильности. Дело в том, что при термоядерных реакциях синтеза гелия из водорода, наряду с выделением энергии происходит рождение элементарных частиц — нейтрино. Как мы помним, нейтрино практически не задерживается веществом. Поэтому, возникая в недрах Солнца и распространяясь со скоростью, близкой к скорости света, они буквально через 2 секунды покидают его поверхность. А спустя ещё 8 мин 19 с достигают Земли. Для наблюдений солнечных нейтрино в 1960 году был построен специальный нейтринный телескоп, который в 1970 году впервые в мире смог зарегистрировать солнечные нейтрино. Это и стало подтверждением теоретической модели строения Солнца как звезды. Поэтому мы в полной мере можем использовать полученные результаты для разработки моделей других звёзд.
Итак, взглянем на диаграмму спектр — светимости. Как мы уже вспоминали, в верхней части главной последовательности располагаются горячие массивные звёзды. Возьмём, к примеру, звезду, масса которой примерно в 10 раз больше массы Солнца, а светимость превышает солнечную в 3000 раз.
Расчёты показывают, что в центре такой звезды располагается конвективное ядро, размером примерно в 0,2 радиуса звезды. Оставшуюся же часть звезды занимает лучистая оболочка, где перенос энергии осуществляется посредством излучения. Такая звезда примерно на 90 % состоит из водорода и на 9 % из гелия. Основным источником энергии таких звёзд является углеродный цикл, в котором происходит превращение водорода в гелий под действием трёх катализаторов: углерода, азота и кислорода.
Посмотрим теперь, что представляют собой звезды, расположенные в нижней части главной последовательности. Во-первых, у этих звёзд нет конвективного ядра, но есть внешняя конвективная зона. Она начинается на расстоянии примерно в 0,65 полного радиуса звезды и продолжается практически до самой её поверхности. Источником энергии таких звёзд является известный нам протон-протонный цикл.
Переместимся в верхний правый угол диаграммы. Как мы помним, здесь располагаются очень массивные красные звёзды. Для примера рассмотрим гиганта, радиус которого примерно в 20 раз больше радиуса Солнца. Пусть масса гиганта лишь слегка превышает массу Солнца (1,3М⨀), а его светимость будет в 230 раз больше солнечной. При расчётах структуры такой звезды выяснилась удивительная вещь: в центре звезды нет водорода, он весь выгорел.
Там находится маленькое ядро (0,001R), почти целиком состоящее из гелия. Как следствие, в ядре таких звёзд термоядерные реакции не идут, а его температура остаётся постоянной. Поэтому ядра красных гигантов и сверхгигантов называют изотермическими.
Ядро окружает тонкий энерговыделяющий слой, в котором происходят термоядерные реакции углеродного цикла. Далее идёт слой, в котором энергия переносится излучением. Его толщина составляет примерно 1/5 радиуса звезды. А наружные слои гиганта охвачены бурной конвекцией. Эти слои содержат около 70 % массы всей звезды. Но тогда мы приходим к удивительному выводу: маленькое ядро гиганта весит почти одну третью его часть. А чайная ложка вещества ядра весит почти тонну.
Возникает закономерный вопрос: неужели вещество ядра красного гиганта можно считать газом? Оказывается, что можем. Но газ этот особенный, и, чтобы объяснить все его свойства, мы должны рассмотреть строение звёзд, расположенных под главной последовательностью — белых карликов.
Их светимость очень мала (иногда в тысячу раз меньше светимости Солнца). Однако при массе, сравнимой с массой Солнца, их размеры сравнимы с размерами планет. Это приводит к тому, что средняя плотность вещества белых карликов (10 5 —10 9 г/см³) почти в миллион раз больше плотности звёзд главной последовательности. И вот тут самое интересное. Дело в том, что в природе не существует веществ, плотность которых может превышать 20 г/см 3 . При такой плотности атомы вещества уже предельно тесно расположены друг к другу. Значит, внутри белых карликов нет атомов!
Это натолкнуло учёных на мысль о том, что вещество таких звёзд — это очень плотный ионизированный газ, состоящий из атомных ядер и отдельных электронов. Такой газ в физике называется вырожденным электронным газом. Его давление определяется только плотностью и не зависит от температуры. Снаружи белый карлик покрыт тонкой оболочкой идеального газа.
Но на этом чудеса Вселенной не заканчиваются. Оказывается в ней существуют звёзды, состоящие в основном из сверхтекучей нейтронной сердцевины, покрытой сравнительно тонкой (∼1—2 км) корой вещества в виде тяжёлых атомных ядер и электронов. Это нейтронные звёзды.
При массе, сравнимой с массой Солнца, радиус нейтронной звезды чаще всего не превышает и 10—20 км. Поэтому средняя плотность их вещества в несколько раз больше плотность атомного ядра! Из чего состоит ядро нейтронной звезды нам до сих пор неясно, но вероятно оно представляет собой кварк-глюонную плазму.
В 1998 году был обнаружен ещё один тип нейтронных звёзд — магнетар. Такое название звезда получила из-за того, что она обладает сильнейшим магнитным полем во Вселенной (до 10 11 Тл). По состоянию на ноябрь 2019 года известно всего 23 магнетара, ещё шесть кандидатов ожидают подтверждения.
В конце XVIII века известный математик и астроном Пьер Лаплс, анализирую теорию тяготения Ньютона, пришёл к удивительным выводам, которые позволили предсказать существование необычных объектов во Вселенной —чёрных дыр. Чёрная дыра — это область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что даже свет не может его преодолеть.
Критический радиус, до которого должна сжаться звезда, чтобы превратиться в чёрную дыру, называется гравитационным радиусом или радиусом Шварцшильда. Для массивных звёзд гравитационный радиус может быть определён, как отношение удвоенного произведения гравитационной постоянной и массы звезды к квадрату скорости света:
Как правило, для массивных звёзд этот радиус составляет всего несколько десятков километров.
Второй способ предполагает, что в тесных двойных системах мощное гравитационное поле чёрной дыры вызывает падение на неё газа из атмосферы звезды-спутника, сопровождающееся мощным рентгеновским излучением. Примером может служить двойная звезда Лебедь Х-1. Она представляет собой массивную двойную систему, одним из компонентов которой является чёрная дыра массой около 14,8 масс Солнца, а второй компонент — это голубой сверхгигант.
Понять, как связаны между собой различные типы звёзд, как они возникают и как происходит их эволюция, оказалось возможным только на основе изучения всей совокупности звёзд, образующих огромные звёздные системы — галактики. Но о них мы с вами поговорим в одном из следующих уроков. А сейчас давайте подводить итоги урока сегодняшнего. Итак, сегодня мы с вами выяснили, что размеры звёзд лежат в очень широком диапазоне: от небольших белых карликов и нейтронных звёзд до огромных красных гигантов и гипергигантов.
Солнце — ближайшая к Земле звезда, которая своим теплом обеспечивает существование жизни на нашей планете. Откуда берется эта огромная энергия? Познакомимся со внутренним строением и источником энергии Солнца.
Солнце как звезда главной последовательности
Как известно из курса физики в 11 классе, звезды образуются в результате гравитационного сжатия облаков межзвездного газа. Наиболее распространенным элементом во Вселенной является водород, поэтому Солнце, как и все остальные звезды, в момент образования состояло в основном из водорода.
Рис. 1. Распространенность элементов во Вселенной.
Рис. 2. Жизненный цикл Солнца.
Строение Солнца
Итак, Солнце — это огромный шар из водорода, образовавшийся в результате гравитационного сжатия. Температура на поверхности солнца — около 6000 К. Тело, нагретое до такой температуры, начинает светиться, причем максимум излучения приходится на желто-зеленую часть спектра.
Энергия, требующаяся для поддержания такой температуры, производится в центре Солнца в результате термоядерных реакций. В настоящее время построена достаточно точная модель Солнца, и расчеты показывают, что температура в его центре достигает $1.5×10^7K$, а плотность составляет $1.5×10^5$ килограмм на кубический метр (средняя плотность Солнца в сто раз меньше). В таких условиях ядра водорода сливаются в ядра гелия. Поэтому в центре Солнца со временем процент гелия увеличивается.
По мере удаления от центра плотность и температура падают, и на расстоянии приблизительно 0,3 радиуса Солнца их уже не хватает для поддержания термоядерной реакции. Эта величина и принята за размер солнечного ядра.
Вся энергия, выработанная в ядре, переносится к поверхности Солнца. Происходить это может двумя способами: путем излучения и путем конвекции (перемешивания слоев газа различной температуры).
Внутреннее строение Солнца таково, что в зоне близко к ядру вещество имеет слишком большую плотность, и перемешивание здесь затруднено. Поэтому на расстояниях 0,3–0,7 солнечного радиуса энергия переносится в основном излучением, а далее — в основном конвекцией.
Рис. 3. Внутреннее строение Солнца.
То есть кванты энергии, выделившиеся в ядре, начинают движение к поверхности Солнца. Они многократно сталкиваются с ядрами водорода и электронами, поглощаются и снова переизлучаются, доходят до зоны конвективного переноса, где энергия в основном переносится уже тепловым движением ядер и электронов, и, наконец, на поверхности энергия снова выделяется в виде излучения.
Весь путь квантов энергии от выделения в ядре до излучения на поверхности занимает в среднем 10 млн лет. Поэтому энергия, которая греет Землю сейчас, была выработана в ядре Солнца еще тогда, когда не существовало не только человека, но даже человекообразных обезьян: первые из них появились 6,5 млн лет назад.
Что мы узнали?
Солнце — это огромный шар, состоящий из водорода. В центре температура и давление настолько высоки, что там идут термоядерные реакции превращения водорода в гелий. Энергия, выделившаяся при этом, постепенно выходит на поверхность Солнца, сперва в основном с помощью излучения атомов водорода, а ближе к поверхности — путем конвекции.
Солнце является основным источником энергии для Земли и всей Солнечной системы. Без него жизнь на нашей планете была бы невозможна. Неслучайно у многих древнейших цивилизаций (например, у египтян) именно бог Солнца считался верховным божеством, которому все остальные Боги были подчинены. Однако современная наука может рассказать о нашем светиле значительно больше, чем древнеегипетские мифы. Какие процессы протекают внутри Солнца, какова история этой звезды, и какое будущее ожидает ее через миллиарды лет?
Общая характеристика
Солнце – это огромный разогретый шар из газа, чей диаметр оценивается в 1,392 млн км. Это в 109 раз больше диаметра нашей планеты. На звезду приходится 99,87% всей массы Солнечной системы.
С Земли кажется, что светило имеет желтый цвет, однако это иллюзия, связанная с влиянием атмосферы нашей планеты на солнечный свет. На самом деле Солнце излучает почти белый свет.
Солнце – это одна из сотен миллиардов звезд галактики Млечный путь. Ближайшая к Солнцу звезда – это Проксима Центавра, находящаяся от неё на расстоянии 4,24 световых лет. Для сравнения – расстояние от Земли до Солнца, принимаемое за астрономическую единицу (а.е.), солнечный свет проходит всего за 8,32 минут.
Влияние Солнца на окружающие небесные тела огромно. Солнечный ветер (частицы вещества, излучаемого звездой), доминируют в межпланетном пространстве на расстоянии до 100-150 а.е. от светила. Считается, что гравитация нашей звезды определяет орбиты тел, находящихся даже на расстоянии светового года от неё (в облаке Оорта).
Само Солнце также вращается вокруг своей оси. Так как оно состоит из газов, то разные его слои вращаются с разной угловой скоростью. Если в районе экватора период обращения составляет 25 дней, то на полюсах он увеличивается до 34 дней. Более того, последние исследования показывают, что внутренние области совершают оборот значительно быстрее, чем внешняя оболочка.
Таблица “Основные физические характеристики Солнца”
Внутреннее строение Солнца
Внутренняя структура нашей звезды включает следующие слои:
В центре светила располагается ядро. Именно в этой области идут термоядерные реакции. Радиус ядра оценивается в 150 тыс. км. Температура здесь не опускается ниже 13,5 млн градусов, а давление доходит до 200 млрд атм. Из-за этого вещество здесь находится в крайне плотном состоянии. Его плотность составляет 150 г/куб. см. Это в 7,5 раз выше плотности золота. Именно такие условия необходимы для протекания термоядерных реакций. Надо понимать, что именно в ядре вырабатывается энергия, которую и излучает Солнце. Все остальные области звезды лишь обогреваются ядром, но сами ее не вырабатывают.
Зона лучистого переноса
Зона конвективного переноса
Выше располагается зона конвективного переноса толщиной 200 тыс. км. Здесь плотность уже невысока, и вещество активно перемешивается – нагретые газы поднимаются наверх, отдают тепло, остывают и снова погружаются вниз. Скорость газовых потоков может достигать 6 км/с. Именно это движение порождает магнитное поле Солнца. Температура на поверхности падает до 6000° С, а плотность на три порядка ниже плотности земной атмосферы.
Атмосфера
Атмосфера Солнца состоит из следующих слоев:
Фотосфера
Нижний слой атмосферы называют фотосферой. Именно она излучает тот свет, который согревает планеты Солнечной системы. Толщина фотосферы колеблется от 100 до 400 км. На внешней границе фотосферы температура падает до 4700° С.
Хромосфера
Над фотосферой располагается хромосфера – слой толщиной около 2000 км. Её яркость очень мала, поэтому с Земли её можно наблюдать довольно сложно. Удобнее всего это делать во время солнечных затмений. Она имеет специфический красный оттенок. В хромосфере можно наблюдать спикулы – столбы плазмы, выбрасываемые из нижних слоев хромосферы. Время существования одной спикулы не превышает 10 минут, а длина доходит до 20 тыс. км. Одновременно в хромосфере находится около миллиона спикул. Интересно, что с увеличением высоты температура хромосферы не падает, а растет, и на верхней границе может доходить до 20 000° С.
Корона
Верхний слой атмосферы называется короной. Ее верхняя граница до сих пор четко не определена. Вещество в ней крайне разрежено, однако температура в ней может достигать нескольких миллионов градусов. На сегодня ученым не удалось полностью объяснить, за счет каких механизмов солнечная корона разогревается до такой температуры. В короне можно наблюдать протуберанцы – выбросы солнечного вещества, чья высота над поверхностью звезды может достигать 1,7 млн км.
Магнитное поле Солнца
У Солнца есть магнитное поле. Исследователи выделяют глобальное поле звезды и множество локальных полей.
В разных районах Солнца могут наблюдаться и малые, то есть локальные магнитные поля. Их напряженность может в тысячи раз превышать напряженность глобального поля, однако время их существования редко превышает несколько десятков дней. Особенно часто локальные поля наблюдаются в районе солнечных пятен. Дело в том, что эти пятна как раз и являются теми точками, через которые магнитные поля из внутренних областей выходят наружу.
Жизненный цикл Солнца
Возраст Солнца оценивается учеными в 4,5 млрд лет. Сформировалось оно из газопылевого облака, которое постепенно сжималось под действием собственной гравитации. Из этого же облака возникли планеты и почти все остальные объекты в Солнечной системе. Когда в центре сжимающегося облака плотность, а вместе с ней температура и давление выросли до критических значений, началась термоядерная реакция – так зажглось Солнце.
Постепенно из-за выгорания водорода ядро будет уменьшаться в размерах, а вся звезда в целом – увеличиваться. Через 6,4 млрд лет водород в ядре закончится, радиус звезды в этот момент будет больше современного в 1,59 раз. В течение 700 млн лет звезда расширится до 2,3 современных радиусов.
Далее рост температуры приведет к тому, что термоядерные реакции горения водорода запустятся уже не в ядре, а в оболочке звезды. Из-за этого она резко расширится, и ее внешние слои будут достигать современной земной орбиты. Однако к тому моменту светило потеряет значительную часть своей массы (28%), что позволит нашей планете перейти на более отдаленную орбиту. Солнце в этот период своей жизни, который продлится 10 млн лет, будет являться красным гигантом.
Из-за пульсаций, связанных с изменениями температуры Солнца, его внешние слои отделятся от ядра и образуют планетарную туманность. Само же ядро превратится в белый карлик – объект, чьи размеры будут сопоставимы размерами Земли, а масса будет равна половине современной солнечной массы. Далее этот карлик, состоящий из углерода и кислорода, будет постепенно остывать. Никаких термоядерных реакций в белом карлике идти не будет, поэтому со временем (за десятки млрд лет) он превратится в черный карлик – остывшую плотную массу вещества. На этом эволюция Солнца завершится.
Орбита и расположение Солнца в галактике Млечный путь
Солнце вместе со всей Солнечной системой вращается относительно центра Млечного пути, в котором располагается огромная черная дыра. Расстояние от нее до нашего светила составляет 26 тыс. св. лет. Один оборот Солнечная система совершает примерно за 225-250 млн лет. Скорость движения звезды относительно центра галактики составляет 225 км/с.
Исследование Солнца
Аристарх Самосский в III в. до н. э. первым предположил, что именно Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. Но лишь во времена Коперника и Галилея эта теория была принята научным сообществом. Тогда же начались исследования Солнца с помощью телескопа. Галилей понял, что солнечные пятна – это часть светила. Изучая их, он понял, что звезда вращается вокруг своей оси, и даже смог определить период обращения.
В 1672 г. Д. Кассини смог достаточно точно рассчитать расстояние до светила. Для этого он определял положение Марса на небосводе в Париже и Кайенне (Южная Америка). Он получил значение в 140 млн км.
В XIX в. физики стали изучать спектр солнечного света. Этот метод позволял определить химический состав звезды. В 1868 г. было обнаружено, что в состав светила входит элемент, до того неизвестный человечеству. Его назвали гелием.
Большой загадкой для ученых оставалась природа энергии, излучаемой Солнцем. Выдвигались ошибочные версии, что звезда нагревается за счет падения на нее метеоритов или за счет гравитационного сжатия. Лишь с открытием ядерных реакций физики смогли предположить, что источник солнечного тепла – это термоядерный синтез.
Интересные факты о Солнце
Для любого объекта, излучающего тепло, можно посчитать отношение мощности к его объему. Оказывается, что удельная мощность Солнца примерно в тысячу раз меньше, чем удельная мощность человеческого организма! Это означает, что огромный объем выделяемого светилом тепла в первую очередь объясняется его гигантскими размерами.
Периодически всплески солнечной активности приводят к геомагнитным бурям. Мощнейшая из них произошла в 1859 г. В результате на Земле перестала работать телеграфная связь, а северное сияние наблюдалось даже над Кубой.
Сейчас общепризнанна теория, что Солнце образовалось из газопылевого облака. Однако откуда появилось само облако? Ученые предполагают, что оно является остатком предыдущих звезд. Химический анализ показывает, что Солнце является звездой уже третьего поколения. Это значит, что вещество, из которого состоит светило, ранее входило в состав двух других звезд, уже прекративших существование.
Хотя большинство планет вращаются вокруг Солнца в плоскости эклиптики, экватор самой звезды не совпадает с этой плоскостью, а наклонен на 7°. Эту аномалию до сих пор не удалось объяснить. Возможно, причиной этого является существование ещё одной планеты в Солнечной системе, чья орбита лежит не в плоскости эклиптики, а под углом к ней. Ряд наблюдений подтверждает существование Девятой планеты, но пока что говорить об ее открытии преждевременно.
Читайте также: