Лекция пятая. Солнце, излучающее свет.

Мне все открыто в этом мире — И ночи тень, и солнца свет, И в торжествующем эфире Мерцанье ласковых планет. Николай Гумилев Солнце, наверное, нужно, чтобы греть и светить. Саша Копылова, 6 лет Колуном дрова мы колем, Выбиваемся из сил. Зееман магнитным полем Кучу линий расщепил. Николай Ланкевич

Воистину, спектры Солнца оказались неисчерпаемыми кладезями информации. Со временем стало ясно, что на форму контуров фраунгоферовых линий оказывает влияние не только относительное число атомов данного типа и не только скорости их движения вдоль луча зрения. Если источник излучения погружен в магнитное поле, контуры линий меняются! И это означает, что спектральный анализ может позволить сделать вывод о напряженности магнитного поля, повлиявшего на спектр…

Открытие было сделано в 1896 году выдающимся нидерландским физиком Питером Зееманом (1865–1943), удостоенным за него только что учрежденной Нобелевской премии по физике 1902 года. Зееман обнаружил, что спектральные линии под воздействием магнитного поля расщепляются. Речь шла о линиях, создаваемых земными источниками света. Эти источники помещались в довольно сильные магнитные поля. При этом линии расщеплялись – превращались в две симметрично расположенные относительно первоначального положения линии. Вместо одной линии в результате возникал так называемый триплет: он обычно состоит из одного несмещаемого компонента и двух симметрично смещенных с каждой стороны. Явление получило название эффект Зеемана.

Несмещаемый компонент принято обозначать греческой буквой π (пи) – от немецкого слова parallel («параллельный»). Π-компонент виден только в том случае, если наблюдения проводятся в направлении, перпендикулярном магнитному полю. Излучение этого компонента поляризовано вдоль поля.

Смещенные компоненты обозначаются греческой буквой σ (сигма) – σ₁ и σ₂. Наблюдения этих компонентов в перпендикулярном магнитному полю направлении показывают, что σ-компоненты линейно поляризованы, если смотреть в перпендикулярном полю направлении. Отсюда и название (σ – от нем. senkrecht, т. е. «перпендикулярный»).

Рис. 12. Иллюстрация расщепления магниточувствительной линии поглощения магнитным полем солнечного пятна. Вверху – линии в невозмущенной фотосфере, внизу – линии в солнечном пятне.

Замечательно то, что величина смещения σ-компонентов относительно невозмущенной линии пропорциональна напряженности магнитного поля! Чем сильнее поле, тем сильнее расходятся σ-компоненты. Коэффициент пропорциональности (так называемый фактор Ланде) оказывается различным для разных линий и зависит от структуры типа атомов, которые порождают данную фраунгоферову линию.

Заметить зеемановское расщепление в линиях солнечного спектра нелегко. Общее магнитное поле Солнца, как мы знаем сегодня, незначительно. Если «запустить» в спектроскоп солнечный свет от яркой поверхности светила, магнитное расщепление фраунгоферовых линий будет ничтожным. Но в солнечных пятнах – самых «интересных» местах на Солнце – расщепление оказалось достаточно заметным!

Открытие магнитных полей на Солнце – пожалуй, одно из самых значительных на всю историю изучения светила. Ниже мы увидим, что именно магнитные поля ответственны за невероятно сложные физические процессы на Солнце, в которых исследователи разбираются вот уже целый век. Честь открытия магнитных полей на дневном светиле принадлежит выдающемуся американскому астрофизику Джорджу Эллери Хэйлу (1868–1938).

Хэйл родился в Чикаго, окончил Массачусетский технологический институт. Интерес к астрономии у него проявился еще в детстве. Его отец поддерживал этот интерес, причем даже в то время, когда сын был уже вполне взрослым: Хэйл-старший финансировал небольшую частную обсерваторию в Кинвуде (близ Чикаго). Окончив институт, Хэйл-младший приступил к профессиональным наблюдениям Солнца на этой обсерватории. Здесь он построил прибор, который получил название спектрогелиограф. Принцип работы прибора заключается в следующем: если последовательно наводить телескоп, оснащенный спектроскопом, на разные участки поверхности Солнца, можно построить изображение Солнца в свете какой-нибудь одной выбранной линии. Изображение фотографируется.

Впервые человек увидел Солнце не в белом свете, а в узком диапазоне одной спектральной линии (монохроматическом свете)! Оказалось, что вид солнечного диска в свете одной линии (например, линии водорода Н-альфа) существенно отличается: незаметные в белом свете детали становятся чрезвычайно контрастными и выпуклыми… Хэйлу удалось получить более трех тысяч фотографий Солнца (спектрогелиограмм) с помощью его спектрогелиографа.

Хэйл обнаружил, что контуры многих линий сильно меняются, если телескоп направлен не на яркую фотосферу Солнца, а на солнечные пятна. Но разрешающая сила его прибора была невелика, и Хэйл задумал построить специальную обсерваторию для солнечных исследований и оснастить ее более совершенной техникой.

Зимой 1903 года Хэйл принял решение о строительстве обсерватории в Южной Калифорнии. Недавно созданный в Вашингтоне Фонд Карнеги пошел навстречу астрофизику, выделив финансирование для его проекта. В течение двух лет – в 1904 и 1905 годах – на гору Маунт-Вилсон был поднят горизонтальный солнечный телескоп (построенный, кстати, на пожертвования некоей мисс Элен Сноу). Так уж вышло, что дерзкие проекты Джорджа Хэйла практически всегда находили спонсоров. Но нет сомнений, что это были не просто поразительное везение и случайная удача (всем бы так!), а результат целенаправленных усилий самого мистера Хэйла, который был не только талантливым ученым, но и великолепным менеджером.

Тяжелое оборудование возили в гору на мулах. Наконец, на юго-восточном склоне 1700-метровой горы телескоп, оснащенный спектрографом, был установлен и введен в строй. Хэйл начал наблюдать и вскоре сделал два выдающихся открытия.

Во-первых, исследуя фраунгоферовы линии солнечных пятен, ученый предположил, что в темных пятнах температура меньше, чем в окружающей их сияющей фотосфере. Чтобы проверить это, Хэйл создал специальную лабораторию, где проводилось экспериментальное изучение влияния температуры на интенсивность спектральных линий. Был открыт ряд закономерностей, которые не оставляли сомнений: пятна, безусловно, «холоднее» окружающего фона!

Во-вторых, Хэйл заметил, что при наблюдениях со спектрогелиографом в свете линии водорода Н-альфа видна окружающая крупные солнечные пятна вихревая структура, которая простирается далеко от них. Эта структура незаметна при наблюдениях в белом свете. Хэйл сообразил, что наблюдаемая картина напоминает вид металлических опилок, помещенных в магнитное поле. Он предположил, что пятна являются местами, где на Солнце находятся сильные магнитные поля. Астрофизик решил проверить, нет ли в пятнах зеемановского расщепления спектральных линий.

Хэйлу пришлось подождать, пока на Солнце появится крупное пятно. К тому времени у ученого был в распоряжении новый замечательный прибор – в 1907 году на обсерватории Маунт-Вилсон под его руководством был сооружен 18-метровый башенный солнечный телескоп с большим спектрографом. Спектрограф давал хорошее спектральное разрешение: масштаб изображения спектра был достаточно велик, чтобы можно было детально исследовать форму контуров спектральных линий – линии были «растянуты» вдоль спектра. Специальная поляризационная оптика, установленная перед щелью спектрографа, позволяла определить, поляризован ли свет в спектральных линиях, и если да, то в каком направлении.

25 июня 1908 года Джордж Хэйл нашел экспериментальное подтверждение своей гипотезе. Спектральные линии, наблюдавшиеся в свете крупного солнечного пятна, расщепились, как и предсказывал эффект Зеемана, и оказались поляризованными – в точности так, как это и должно было случиться при наличии сильного магнитного поля в солнечном пятне!

Открытие было сделано. Пятна оказались местами, где на Солнце развивались мощные магнитные поля. Но для подробных исследований возможностей башенного телескопа, дававшего 17-сантиметровое изображение диска Солнца, не хватало. Блестящие способности организатора, присущие Хэйлу, проявились в очередной раз: Фонд Карнеги снова выделил средства!

В 1912 году на горе Маунт-Вилсон был введен в строй фантастический по тем временам инструмент: 45-метровый башенный солнечный телескоп. В комплект этого гигантского инструмента был введен новый большой спектрограф с фокусным расстоянием 22,5 м (предыдущий спектрограф имел 5,5-метровый фокус). Новая техника позволяла различать подробности формы контуров спектральных линий, совершенно недоступные в прошлом! Хэйлу удалось выполнить впечатляющий цикл исследований солнечного магнетизма, установить ряд важных закономерностей, накопить большую статистику.

Как писали австралийские гелиофизики Р. Брэй и Р. Лоухед, период с 1905 про 1930 год в солнечной физике можно назвать эрой Маунт-Вилсон: именно здесь был сделан настоящий прорыв в понимании того, что же такое Солнце и каковы физические условия на нашем светиле.

Рис. 13. Солнечные пятна – области сильных магнитных полей.

Итак, вторая половина XIX – начало XX века обеспечили гигантский скачок в процессе накопления наших знаний о Солнце и прежде всего – на основе спектрального анализа. Как уже отмечалось выше, оказалось, что спектры Солнца несут в себе огромный объем информации о нашем светиле. Распределение энергии в спектре, равно как и прямые измерения интенсивности приходящих от Солнца лучей, дали возможность определить температуру фотосферы. Стало очевидно, что этот слой может быть только газообразным. Исследование фраунгоферовых линий в спектре светила позволило определить не только химический состав излучающего фотосферного газа, но и лучевые (вдоль луча зрения) скорости излучающего газа в той области, на которую наведена щель спектрографа. Анализ формы контура спектральных линий, обнаружение эффекта расщепления позволили сделать вывод о присутствии на Солнце мощных магнитных полей внутри солнечных пятен.

Еще одно фундаментальное открытие, сделанное в 1913 году немецким физиком Иоганном Штарком (1874–1957), позволило обнаружить, что линии расщепляются под влиянием не только магнитного, но и электрического поля (Нобелевская премия 1919 года). Позднее оказалось, что эффект Штарка наблюдается и на Солнце, преимущественно в сильных солнечных вспышках.

Не лишним будет повторить: спектральный анализ дает массу данных о физических условиях на Солнце. Спектроскопист должен учитывать, что контур линии, как правило, несет в себе вклад разных физических факторов: могут одновременно проявляться и эффект Доплера, и эффект Зеемана, причем в большинстве случаев происходит наложение вкладов от разных структур на Солнце на разных высотах. Это означает, что исключать один из эффектов можно, переходя к другим линиям (разные линии проявляют разную чувствительность к влиянию разных факторов) или к другим участкам солнечной поверхности. Постановка наблюдательного эксперимента и его последующая интерпретация – это «высший пилотаж» в солнечной астрофизике, требующий высокого уровня профессионализма и физической интуиции. Это очень трудная часть гелиофизики, но здесь велика и отдача…

Появление множества новых данных о физических условиях на Солнце дало возможность обоснованно рассуждать о природе светила. Достижения физики (в частности, термодинамики) во второй половине XIX века показали, что идея Гершеля-старшего (холодное, темное Солнце и ярко излучающий облачный слой фотосферы) невозможна. Даже если бы излучающий слой существовал (его фантастическая природа выглядела все более неправдоподобной по мере развития физики), Солнце внутри не могло бы оставаться холодным – оно бы стремительно прогрелось до таких же температур. Напомним, что идея холодного Солнца была основана на простом желании населить солнечную поверхность живыми существами, а также на идее аналогии: все небесные тела хотелось уподобить Земле. Природа оказалась более разнообразной. Устройство звезды по имени Солнце и планет оказалось существенно различным.

Становилось ясно, каким Солнце не может быть.

Но какова же все-таки его природа?

Вопрос о том, что же все-таки такое Солнце, неразрывно связан с вопросом об источниках его энергии. Прямые (пусть первоначально и неточные) измерения потока солнечной энергии, падающего на Землю, показали, что энерговыделение Солнца чудовищно велико. Никакое горение не может дать такую величину. Что заставляет светило ежесекундно извергать гигантские потоки энергии?

С идеями было плоховато (не рассматривать же всерьез идею с горящим углем!..). Анализируя выдвигавшиеся в прошлом идеи, будем следовать обзору известного российского астронома, эрудита и специалиста по истории астрономии Виталия Александровича Бронштэна (1918–2004), опубликованному в журнале «Звездочет» в 1997 году. Более подробно об этом В. А. Бронштэн писал в книге «Гипотезы о звездах и Вселенной», опубликованной издательством «Наука» в 1974 году.

Итак, судя по всему, первая серьезная попытка научно обосновать происхождение солнечной энергии принадлежала английскому физику Юлиусу Роберту Майеру (1814–1878), врачу по образованию. В 1840 году он пришел к идее взаимного превращения механической работы и теплоту, что позднее позволило ему впервые сформулировать закон сохранения энергии. Приложение его концепции к Солнцу потребовало искать источники огромной энергии светила, и Майер в 1849 году нашел их за пределами Солнца! Майер предположил, что Солнце непрерывно бомбардируется метеоритами, при этом кинетическая энергия падающих метеоритов превращается в тепло. Собственно, это, согласно гипотезе, и разогревает Солнце, заставляя его светиться.

Идея Майера, на самом деле, абсурдной не является. Сравнительно недавно (по тем временам) было признано, что камни действительно могут падать с неба. В те годы еще продолжалась знаменитая «столетняя война» между учеными, объяснявшими многочисленные кратеры на Луне падениями крупных метеоритов, и учеными, которые связывали кратеры с лунным вулканизмом. Все больше доводов приводилось в пользу ударной гипотезы. Огромные воронки (кратеры), достигавшие в диаметре многих десятков (иногда – сотен!) километров, свидетельствовали о том, что в космосе бывают катастрофические столкновения. Большое число кратеров указывало на то, что на Луну могла быть привнесена этими ударами значительная энергия.

Становилось ясно, что, если уж вся Луна покрыта следами ударов, то Земля тоже должна быть вся в шрамах, – даже в большей степени (Земля как мишень больше Луны, и притяжение у нее сильнее). Если сегодня вся поверхность Земли не покрыта кратерами, то только потому, что активные процессы стирают их с лица нашей планеты: это вода, ветер, землетрясения – факторы, которых нет на Луне (лунотрясения, как показали прямые измерения американских сейсмометров, в тысячу раз слабее землетрясений). И даже несмотря на это на поверхности Земли все-таки обнаружены десятки так называемых астроблем (в переводе с греческого «звездных ран») – древних следов столкновений с астероидами.

Солнце, как уже было известно во времена Майера, вместило в себя более 99,9 % всей массы Солнечной системы. Это самый крупный объект с диаметром почти 1 400 000 километров. Понятно, что шансы упасть на Солнце у любого небесного тела гораздо больше, чем столкнуться с любой планетой. Более мощное поле тяготения Солнца должно разгонять до огромных скоростей падающие тела, и сила ударов также должна быть значительной. Отсюда, в рамках этой логики, и тепло нашего светила…

Однако в науке любые рассуждения должны подкрепляться доказательствами. В данном случае несложно, зная мощность излучения (или, как говорят астрофизики, светимость) Солнца, прикинуть, сколько же метеоритов должно на него падать, чтобы обеспечить необходимый приток энергии.

Оценки, сделанные В. А. Бронштэном, таковы. Нужно, чтобы на Солнце каждую секунду падали два триллиона тонн метеоритного вещества! В год набирается примерно одна сотая масса Земли. Сегодня мы знаем, что Солнце существует около пяти миллиардов лет. За это время на светило должно было непрерывным потоком высыпаться вещество, масса которого в 150 раз больше массы самого Солнца! Кстати говоря, из этого потока и на Землю бы что-то попадало, и тогда на нашу планету из космоса обрушивалось бы примерно в миллион раз больше, чем мы наблюдаем на практике. Идея приводит к явным нестыковкам.

Возможно, для спасения своей гипотезы Майер и предложил (впервые!) идею о том, что масса Солнца со временем уменьшается, поскольку солнечные излучения уносят с собой часть массы светила. Это действительно так: Солнце является источником так называемого солнечного ветра – непрерывного потока частиц (ядер атомов водорода и гелия). Кроме того, на Солнце иногда происходят импульсные события – выбросы плазмы, когда в межпланетное пространство выбрасываются многие миллиарды тонн солнечного вещества. Майер ничего не знал ни о солнечном ветре, ни о выбросах (его гипотеза оказалась верным прогнозом). Но организовать баланс за счет этого фактора все равно не удается: часть массы действительно уносится, но она на много порядков величины меньше и гипотетического притока метеоритов, требуемого для обеспечения энергетического выхода Солнца, и массы самого Солнца.

В дальнейшем мы узнаем, что благодаря так называемым термоядерным реакциям масса Солнца ежесекундно уменьшается примерно на четыре миллиона тонн. Но это тоже мизерная величина по сравнению с огромной массой светила. Естественно, об этом эффекте Майер тоже не мог даже догадываться.

Существовал еще один мощный довод против гипотезы Майера: потемнение солнечного диска к краю. Этот факт, отмечавшийся наблюдателями еще со времен Галилея и Шейнера, можно объяснить только тем, что энергия Солнца поступает из его недр. Разогрев метеоритами, несомненно, должен был приводить к разогреву снаружи.

Заметим, что согласно современной теории, гипотеза Майера объясняет высокую светимость Солнца очень давно, более 4,5 миллиардов лет тому назад. Тогда в центре масс огромного газопылевого облака под воздействием силы тяготения формировался обширный сгусток вещества – тех же самых газа и пыли. Этот сгусток притягивал к себе окружающее вещество, и постоянный поток газа и пыли, ускоряясь, обрушивался на него. Кинетическая энергия падающего потока превращалась в тепло – центральный сгусток быстро нагревался и начал светиться. Расчеты показывают, что светимость протосолнца была достаточно высокой, и фактор падения вещества на него (астрофизики такое падение под воздействием гравитации называют аккрецией) вполне объясняет, почему молодое Солнце ярко светилось. Со временем, когда падение вещества закончилось (бóльшая часть того, что могло упасть на Солнце, уже упала), фактор аккреции должен был уменьшиться и в конечном итоге исчезнуть. Подобные процессы мы и сейчас наблюдаем в молодых газопылевых дисках, где происходит на наших глазах формирование новых звезд. Но светимость зрелых звезд, на которые уже ничего не падает, объяснить гипотезой Майера не получается.

В 1855 году появилась новая гипотеза, с которой выступил немецкий естествоиспытатель Герман Людвиг Гельмгольц (1821–1894). Обратив внимание на тот факт, что тела разогреваются при сжатии, он предположил, что именно сжатие солнечного шара является источником его нагрева. В этом случае энергия действительно должна поступать из глубины. Причина сжатия была очевидна: это сила тяготения! Огромная масса вещества, собравшаяся в шар, под действием силы тяготения должна, согласно новой концепции, сжиматься, при этом сильно нагреваясь. Идея Гельмгольца о выделении тепла вследствие притяжения частиц, из которых состоит Солнце, известна в истории науки под названием контракционной гипотезы.

Гельмгольц, в отличие от Майера, подтвердил свою идею расчетами. Оказалось, что если Солнце будет сжиматься хотя бы на 60–70 метров в год, то будет выделяться тепло, которого вполне хватило бы на разогрев всей массы Солнца до нужных температур.

На первый взгляд, все сходилось! При огромном радиусе Солнца (696 тысяч километров) заметить эффект постепенного сжатия на какие-то мизерные десятки метров в год можно было, лишь наблюдая за светилом многие сотни (или даже тысячи) лет. Поэтому эффект незначительного уменьшения размеров Солнца со временем незаметен. Но для обеспечения одинаковой мощности излучения на протяжении всей жизни Солнца получалось, что возраст светила не может превышать 20 миллионов лет – иначе за миллионы лет Солнце сжалось бы до совсем небольших размеров.

В середине XIX века геологи и биологи уже понимали, что возраст нашей планеты гораздо больше! Изучение древних геологических пластов, исследование останков древних животных показывало, что Земля существует по крайней мере в 10–20 раз дольше. Сегодняшние оценки говорят как минимум о четырех с половиной миллиардах лет. Это возраст и нашей Земли, и всей Солнечной системы. Очевидно, что Солнце не может быть моложе своего окружения…

Тем не менее, идея о сжатии Солнца выглядела красивой, и начался интенсивный поиск выхода из положения. Английский геолог Джеймс Кролл, например, предложил идею, объединявшую в какой-то степени гипотезы Майера и Гельмгольца. Он предположил, что в далеком прошлом Солнце столкнулось с другой звездой, подобной себе, и тем самым получило дополнительный запас энергии, которого хватило надолго, а уже потом стало сжиматься. Потому-то Солнце и оказалось долгоживущей звездой.

Надо заметить, что если две звезды не входят в тесную двойную систему, вероятность столкновения двух звезд будет чрезвычайно низкой. Вообразите себе вероятность столкновения двух апельсинов, один из которых находится в Новосибирске, а другой – в Иркутске! Да и энергия столкновения при более детальных расчетах оказывается не такой уж большой, – хватит ее не на миллиарды лет.

Попытки спасти гипотезу с помощью различных усовершенствований модели (подобное не раз бывало в истории науки) позволили «дотянуть» возраст Солнца до 100 миллионов лет. Это на уровне знаний второй половины XIX века казалось вполне допустимой оценкой возраста и для Солнца, и для Солнечной системы в целом. Контракционная гипотеза стала новой основной концепцией (парадигмой) после опровергнутой фактами идеи темного Солнца, прикрытого яркой фотосферой. Новая парадигма воцарилась на несколько десятилетий.

Крах этой гипотезы связан с фундаментальным открытием, сделанным на исходе XIX века. В 1896 году французский физик, в будущем лауреат Нобелевской премии по физике Антуан Анри Беккерель (1852–1908) открыл явление радиоактивности. Оказалось, что некоторые типы химических элементов излучают коротковолновое электромагнитное излучение, а также так называемые корпускулы – микроскопические частицы, из которых построены атомы. Энергия этого излучения оказалась достаточно высокой.

Исследования феномена радиоактивности показали, что для каждого типа радиоактивных атомов можно определить так называемый период полураспада – период времени, за который распадается половина атомов данного образца. Если найти способ определения количества атомов радиоактивного урана и количества атомов конечного продукта его распада – свинца, то, зная период полураспада урана, можно определить, когда сформировался кусок породы, содержащей уран.

Открытие радиоактивности позволило с помощью «урановых часов» определить возраст Земли, который стал исчисляться миллиардами лет. Стало ясно, что контракционная гипотеза ошибочна: Солнце не могло быть младше планеты…

Однако огромный выход энергии при радиоактивном распаде привел ученых к новой гипотезе. А что, если именно радиоактивные вещества на Солнце разогревают недра светила? Эта идея была выдвинута выдающимся английским астрофизиком Джеймсом Хопвудом Джинсом (1877–1946) в начале XX века.

Как указал В. А. Бронштэн, доводы Джинса строились на основе формул расчета коэффициента поглощения рентгеновских лучей атомами водорода и других элементов, опубликованных в 1923 году нидерландским физиком Хендриком Энтони Крамерсом (1894–1952). Джинс считал, что в недрах Солнца температура настолько высока, что энергия должна излучаться в виде коротковолновых рентгеновских лучей (это недалеко от истины, с той оговоркой, что длина волны излучения в солнечном ядре еще меньше – это не рентгеновские, а гамма-лучи). Согласно формулам Крамерса, коэффициент поглощения входил в соотношение, которое связывало светимость Солнца и его массу. Но светимость Солнца и его масса известны. Это означало, что можно было рассчитать величину коэффициента поглощения по этим известным данным и попытаться понять, какому веществу оно соответствует.

Результаты выглядели сенсационно. Получалось, что в недрах Солнца находятся элементы тяжелее урана, а значит, они, несомненно, радиоактивны! Казалось, что гипотеза Джинса блестяще подтверждалась.

К сожалению, эта версия вскоре рухнула. Вся теория Джинса строилась на формулах Крамерса, хотя никто не знал, насколько они точны для тяжелых элементов. Худшие предположения оправдались: выяснилось, что формулы верны только для легких водородоподобных элементов, а в случае более тяжелых они не работают, давая большие ошибки.

Кроме того, возникало сомнение и по другому поводу. В земной коре радиоактивных элементов мало. Сопоставление химического состава Солнца и земной коры показало, что если исключить самые легкие элементы (водород и гелий), то относительное количество других химических элементов оказывается сходным: чего больше на Земле, того больше и на Солнце. Это означало, что следует ожидать незначительного количества радиоактивных элементов и на Солнце. Но при этом выхода энергии за счет распада атомов радиоактивных элементов явно не хватает, чтобы обеспечить гигантскую светимость Солнца!..

Впрочем, сделаем оговорку. До сих пор неизвестно, сколько радиоактивных элементов находится не в коре, а в ядре Земли…

В первой половине ХХ века возникла еще одна гипотеза о возможных источниках энергии Солнца. Заметим, что все новые гипотезы немедленно возникали, как только делалось какое-либо новое физическое открытие: его немедленно пытались привязать к нашей звезде….

В 1928 году английский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике 1933 года Поль Андриен Морис Дирак (1902–1984) открыл частицу, подобную электрону по массе, но с положительным электрическим зарядом (позитрон). Столкновение электрона и позитрона должно приводить к аннигиляции – полному превращению массы частиц в электромагнитное излучение. Стало ясно, что аннигиляция – это процесс, который может дать самый высокий выход энергии, который только можно вообразить: вся масса, согласно теории великого физика, еще одного нобелевского лауреата Альберта Эйнштейна (1879–1955), должна при этом превращаться в энергию излучения.

Американский астроном Генри Норрис Рассел (1877–1957) и английский астрофизик сэр Артур Стэнли Эддингтон (1882–1944) практически одновременно начали рассматривать гипотезу об аннигиляции частиц и античастиц в недрах звезд и, в частности, Солнца. В. А. Бронштэн заметил, что ученых в шутку называли соответственно отцом и отчимом гипотезы: Рассел опубликовал свою работу ровно на девять месяцев раньше Эддингтона…

Строгая теория аннигиляционного механизма выделения энергии в недрах Солнца так и не была создана. Трудно было объяснить, почему, например, все частицы и античастицы не проаннигилировали мгновенно и разом, сорвав газовую оболочку Солнца в момент чудовищного взрыва.

Это была последняя из опровергнутых гипотез, появившихся до того, пока не был наконец найден механизм энерговыделения в недрах Солнца, который считается правильным вот уже много десятилетий. Новая парадигма – термоядерный синтез элементов в ядре Солнца, о чем подробнее будет сказано ниже, – подтверждается множеством разнообразных следствий, которые предсказываются этой теорией. Основы указанной теории были разработаны в 1938–1939 годах выдающимся немецким физиком Хансом Бете (1906–2005). Начиная с 1933 года он работал в Англии, затем в США. Бете получил за свои достижения Нобелевскую премию по физике 1967 года.

Суть теории термоядерного синтеза в общих чертах изложена в следующей лекции, здесь же можно (предварительно) сказать о том, что под воздействием очень высокой температуры и очень высокого давления в недрах Солнца водород превращается в гелий. При этом масса продукта реакций (гелия) оказывается несколько меньше массы водорода, участвующего в реакциях. Оказывается, что часть «исчезающей» массы превращается в легкие частицы, которые называются нейтрино, а также в электромагнитное излучение. Это излучение и обеспечивает светимость Солнца.

Некоторые проблемы возникали в связи с несоответствием между предсказанными теорией и измеренными на практике потоками нейтрино, истекающих из недр Солнца. На рубеже XX и XXI веков проблема была решена: выяснилось, что нейтрино обладают небольшой массой (ранее считалось, что эти частицы относятся к разряду безмассовых). Кроме того, стало ясно, что нейтрино бывают нескольких типов, которые могут превращаться друг в друга (осциллировать). Учет этого обстоятельства ликвидировал последнее противоречие между теорией и экспериментом и привел к окончательной и бесповоротной победе ныне существующей парадигмы – теории термоядерного синтеза в недрах Солнца.

Хотя во всех учебниках и энциклопедиях уже давно излагалась в качестве правильной именно эта теория, некоторые сомнения оставались (хотя большинство ученых считали, что последнее противоречие будет каким-то образом разрешено). Так бывает не всегда, но так случилось на этот раз. Впрочем, мало кто в этом сомневался: слишком много доводов было в пользу этой теории. Одним из доводов была практика: по сути, на основе теории, разработанной командой Бете, создано страшное оружие – термоядерное. Тот факт, что испытания термоядерной (водородной) бомбы были успешно осуществлены еще в середине ХХ века, говорит о том, что теория верна…

Итак, только к концу ХХ века основные положения современной теории, описывающей природу Солнца, утвердились в сознании научного сообщества окончательно. Мы увидели, насколько сложным и длинным был путь к этой теории, насколько много ошибок, неверных гипотез и опровергнутых фактами догадок были на этом пути.

Мы видим, что помимо обычно изучаемой в школе истории политики, власти, социальных процессов, революций и войн, а также помимо истории художественной культуры (появления новых книг, пьес, скульптур, архитектурных сооружений, музыкальных произведений и кумиров от культуры) есть еще одна история – это история добычи знаний, развития идей, поисков истины, зачастую трудных и мучительных. Это история долгого рутинного труда и мгновенных озарений, история открытий и разочарований.

Эта история известна не так широко, и для многих людей она просто не существует. Но это означает, что о ней нужно говорить и писать, поскольку история поисков истины об окружающем мире, с точки зрения автора этой книги – главная составляющая истории человечества.

Эта история, конечно же, не закончена и не закончится, пока существует homo sapiens – человек разумный. И, если учесть гигантскую роль дневного светила в нашей жизни, можно утверждать, что важная часть этой истории – это история поисков ответа на вопрос, что же такое Солнце.

Только сегодня мы, наконец, осторожно рискуем сказать, что в общих чертах начинаем представлять себе, что же такое Солнце. Это, разумеется, при том, что множество деталей, закономерностей, эффектов, явлений и процессов на Солнце являются понятыми только в основном, а многие их особенности остаются загадкой и по сей день.

Что знают люди о Солнце на сегодняшний день?

Речь, конечно, идет о тех людях, которые хотят это знать. Для них и написана эта книга. Те же люди, которым это не интересно, конечно, читать подобные книги не будут.

Что касается тех, кому это интересно, – рассказ о сегодняшних наших представлениях о Солнце приведен в следующих лекциях.