Внутрішня будова сонця і зірок головної послідовності і джерела енергії

Зірки - найбільш часто зустрічаються тіла у Всесвіті. Багато астрофізиків присвячують своє життя їх вивчення. При цьому всі світила настільки віддалені від нашої планети, що про безпосередньому їх дослідженні поки припадає лише мріяти. Тільки Сонце доступно для постійного спостереження на порівняно невеликій відстані. Однак і в разі центрального світила нашої планетної системи більшість параметрів виходять з обчислень, заснованих на теоріях і лише побічно підтверджуються спостереженнями. Внутрішня будова Сонця, джерело його енергії, особливості деяких процесів, що відбуваються в надрах, - всі ці характеристики виведені «на кінчику пера». Проте їх достатньо для пояснення багатьох нюансів поведінки не тільки нашого світила, а й інших, схожих з ним зірок.

Параметри

Сонце - зірка спектрального класу G2, жовтий карлик. Його маса оцінюється в 2middot-10³⁰ кг, а радіус становить 696000 кілометрів. У хімічному складі світила сильно переважає водень (90%), за ним слідує гелій (10%) і більш важкі елементи (менше 0,1%). Джерела енергії і внутрішню будівлю Сонця тісно пов`язані з співвідношенням і перетворенням цих атомів.

У кожній точці світила постійно підтримується рівновага двох протилежних сил: тяжіння і тиску газу. Завдяки їх гармонійному співвідношенню Сонце є більш-менш стабільним космічним тілом. Аналогічний механізм лежить в основі підтримання сталості всіх зірок.

Термоядерний котел

Модель внутрішньої будови Сонця сформована завдяки даним спостереження, теоретичного аналізу, спектроскопії і іншим методам астрономії. На основі зібраної таким чином інформації визначаються характеристики зірки. Виведені закономірності і створені теорії існують доти, поки вони добре пояснюють видимі зміни, що відбуваються зі світилом і іншими аналогічними зірками головної послідовності.

Згідно сучасним уявленням основним джерелом сонячного випромінювання є термоядерні реакції, постійно протікають в його ядрі. При вкрай високих температурах (14 млн кельвінів) відбувається перетворення водню в гелій. При цьому виділяється значна кількість енергії.

Шари

Внутрішня будова Сонця - це три зони: ядро, ізотермічна і конвективна область. Серцевина світила займає приблизно четверту частину його радіуса і являє собою дуже сильно стисле речовину. Маса ядра - практично половина від загальної сонячної. Саме тут і протікають реакції синтезу елементів.

Далі слід ізотермічна зона. Тут утворилася в ході реакцій в ядрі енергія переноситься шляхом випромінювання. Це найбільш протяжна зона. Енергія повільно просочується крізь неї. У міру її просування зменшується температура і тиск в надрах Сонця. При певних показниках цих параметрів виникають конвекційні процеси - починається наступний шар світила. Тут перенесення енергії здійснюється самим речовиною. Конвективна зона у Сонця набагато менше ізотермічної (сьома частина радіуса).

Близькі за структурою

Внутрішня будова Сонця і зірок головної послідовності схоже. Воно дещо відрізняється у випадку блакитних зірок і червоних карликів. Для перших характерні Конвективне ядро і досить протяжна зона променистого переносу (ізотермічна). Червоні карлики по послідовності розташування шарів схожі з зірками типу Сонця. Однак у них домінує зона конвекції, а променистий перенесення займає лише порівняно невелику ділянку.

Атмосфера

Звичною для нас поверхні у Сонця немає. Воно, як і всі зірки, являє собою сяючий газова куля. Поверхня виділяється умовно і розмежовує конвективну зону світила і його атмосферу. У ній також виділяють три шари.

Внутрішня будова Сонця і зірок головної послідовності, схожих з ним, закінчується зоною конвекції. Вона безпосередньо межує з фотосферою, 300-метровим шаром, звідки випромінювання спрямовується в космос, в тому числі до Землі. Середня температура цій частині - 5800 К. У міру віддалення від конвективного шару вона падає до значення в 4800 К. Фотосфера сильно розріджена. Її щільність в тисячу разів менше аналогічного параметра повітря на Землі. Поступово вона перетікає в хромосферу, за якої розташовується корона Сонця.

Склад атмосфери

Зміст тих чи інших елементів у зовнішніх оболонках світила визначається за допомогою спектрального аналізу. Його дані показують, що за хімічним складом атмосфери Сонце аналогічно зіркам другого покоління (вони утворилися протягом останніх декількох мільярдів років). На відміну від своїх попередників вони характеризуються набагато більшою концентрацією атомів елементів, важче водню і гелію. Сонце і аналогічні йому світила сформувалися після руйнування частини зірок першого покоління, в надрах яких в процесі термоядерного синтезу і утворилися важкі елементи.

Хромосфера

Внутрішня будова Сонця і зірок недоступно для безпосереднього спостереження. Те ж можна сказати і про наступну за фотосферой повітряною оболонкою світила. Значна яскравість дозволяє побачити її тільки під час повного сонячного затемнення. Ця оболонка носить назву «хромосфера», що в перекладі означає «пофарбована сфера». У той момент, коли Місяць загороджує собою Сонце, вона набуває рожевого відтінку, появі якого сприяє водень. Саме цей елемент становить значну частину сильно розрідженій хромосфери.

Температура тут вище, ніж на попередньому шарі. Таке явище пояснюється зниженням щільності речовини. У верхніх шарах хромосфери температура досягає 50000 кельвінів.

Корона

Лінія спектра водню перестає бути помітною на висоті 12000 кілометрів над фотосферою. Трохи далі помітний слід кальцію. Його лінія спектра зникає ще через 2000 км. Висоту в 14000 км над фотосферою прийнято вважати початком корони, третьої зовнішньої оболонки нашого світила.

Чим вище від умовної поверхні Сонця, тим менш щільним стає повітря і значніше температури. Корона, що представляє собою розріджену плазму, розігрівається до 2 млн кельвінів. В результаті цього речовина області стає постійним потужним джерелом рентгенівського та ультрафіолетового випромінювання.

Дослідження показують, що протяжність корони становить 30 сонячних радіусів. Чим далі від хромосфери, тим менш щільною вона стає. Останній її шар перетікає в космічний простір, утворюючи сонячний вітер.

Майбутнє

Внутрішня будова Сонця, як його бачать сьогодні вчені, буде таким не вічне. Рано чи пізно, за прогнозами приблизно через 5 млрд років, світило вичерпає запас палива. У результаті внутрішню будівлю Сонця сильно поміняється: ядро стиснеться до розмірів, в 100 разів менших сучасних габаритів світила, а його інші оболонки перетворяться в повільно остигаючу атмосферу. Наша зірка увійде в стадію червоного гіганта. Ще через кілька десятків тисяч років розширилася оболонка Сонця розсіється в космічному просторі і світило перетвориться на білого карлика.

Сумніви

Розвиток події може піти і за іншим сценарієм, оскільки джерела енергії та внутрішню будову Сонця, а також аналогічних йому зірок, все-таки вивчені не до кінця. Висловлюються припущення, що термоядерний синтез не грає настільки важливу роль, яку йому приписують. Непряме підтвердження цьому - сонячне нейтрино, точніше, його відсутність. Ці частки утворяться в процесі термоядерних реакцій і володіють найпотужнішою пробивною здатністю, тобто повинні безперешкодно добиратися до Землі. Однак зафіксувати їх поки не вдалося.

Цікаві і дані групи астрономів під керівництвом академіка А.Б. Північного. Згідно з ними Сонце відчуває незначні коливання. Вони можливі тільки за умови однорідності світила. Тобто якби вдалося сфотографувати внутрішню будову Сонця, фото продемонструвало б повну одноманітність шарів. При цьому температура ярда світила повинна становити 6,5 мільйона кельвінів, що мало для протікання термоядерних реакцій. Поки ця гіпотеза лише набирає силу.

Таким чином, внутрішню будівлю Сонця, коротко викладене тут, вимагає подальшого уважного вивчення. Можливо, остаточне розуміння процесів, що відбуваються в надрах світил, стане доступне для нас тільки після значного удосконалення апаратури і методів пізнання.