Ад в небесах

Солнце — всего лишь рядовая звезда, одна из 200 миллиардов в галактике Млечный Путь. Но для нас она особенная. С помощью целого флота космических зондов земляне следят за своим светилом в надежде разгадать его секреты. А их у Солнца еще очень много

текст: Клаус Бахманн

Фото: NASA/Goddard Space Flight Center/SDO

Мифическое адское пекло — уютный домашний очаг по сравнению с Солнцем. Там клокочет расплавленная материя, бьют в космос фонтаны раскаленного газа. Чудовищные разряды молний прошивают огненный шар. Дьявольское световое шоу не замирает ни на минуту. 

Вплоть до конца двадцатого века астрономы могли изучать лишь поверхность Солнца — заглянуть глубже не позволяли технические возможности. Но в 1995 году НАСА совмест­но с Европейским космическим агентством (ЕКА) отправили в космос обсерваторию SOHO, к которой спустя пятнадцать лет присоединилась еще одна — американская SDO. И им удалось «просветить» нашу звезду насквозь. 

«Благодаря гелиосейсмологии мы получили базовые представления о внутреннем строении Солнца», — говорит физик из ЕКА Бернхард Флек, который руководит «солнечной миссией» SOHO. 

Мощные потоки материи заставляют толщу Солнца постоянно вибрировать, как раскачивающийся колокол. Космические зонды фиксируют различные типы вибраций, которые могут рассказать много интересного о солнечных недрах. 

Например, выяснилось, что Солнце имеет трехслойное строение. В верхнем слое циркулирует плазма — раскаленная смесь элементарных частиц, в которой электроны отделены от своих атомов. Два внутренних слоя — ядро и зона лучи­стого переноса — вращаются настолько синхронно, что напоминают единый плотный шар типа земного. И совершают один полный оборот за 27 дней. 

А над ними царит хаос. В конвективной зоне, которая начинается на глубине примерно 210 тысяч километров от поверх­ности, скорость вращения плазмы на разных широтах варьируется. Если на солнечном экваторе период обращения составляет 25 дней, то на 60-й широте — уже 31. 

«Дифференциальная ротация» — так физики называют этот феномен. В глубине звезды, на границе между стабильным ядром и подвижной зоной конвекции, рождается главная движущая сила грандиозной поверхностной активности. Солнечный генератор, вырабатывающий мощное магнитное поле. 

Что за неисчерпаемый источник энергии таится внутри Солнца? Из всех его загадок ученые пока разгадали только эту. Да и то не до конца. 

Но скоро все может измениться. На подмогу SOHO и SDO в 2018 году будут запущены еще два зонда — Solar Orbiter и Solar Probe+. Собранные ими новые данные приблизят астрофизиков к ответу на многие во­просы. 

Тем более что самая главная тайна уже раскрыта, уверен Бернхард Флек. 

Серия снимков с космического зонда SOHO иллюстрирует колебания активности Солнца за два 11-годичных цикла. Желтые зоны энергетических вспышек сосредоточены в основном вокруг солнечных пятен. Фото: NASA

Почему Солнце светит?

«Самая большая загадка — как можно поддерживать горение столь неимоверной силы. Но одно открытие в области химии не дает нам ответ на этот вопрос». Джон Гершель, 1833 год

Солнечная печь вырабатывает и извергает в космос гигантское количество энергии. Свечение Солнца настолько мощное, что даже на отдалении в 150 миллионов километров тает земной снег и возникают ожоги на коже. Как это возможно? 

Первое, что приходит на ум: звезда полыхает, как гигантский костер, и постепенно сгорает. Но температура на поверхности Солнца почти 5500 градусов Цельсия. Еще в XIX веке английский астроном Джон Гершель заявил, что «классическая» реакция горения древесины и угля никак не может дать столько тепла и поддерживать нагрев на таком уровне миллионы лет. 

Простой математический расчет показывает, что если бы Солнце состояло из самого лучшего угля, оно бы полностью выгорело примерно за пять тысяч лет. 

Ключом к разгадке стали два открытия, сделанные физиками в начале XX века. Первое: Альберт Эйнштейн установил, что масса эквивалентна энергии. И описал их зависимость в знаменитой формуле E=mc2. Второе: оказалось, что четыре атомных ядра водорода, состоящие из одного протона, обладают большей массой, чем ядро атома гелия из двух протонов и двух нейтронов. 

В конце 1930-х физики-атомщики описали фундаментальные процессы, протекающие на Солнце. Температура в его ядре достигает 15 миллионов градусов Цельсия. В таких экстремальных условиях четыре ядра водорода, пройдя ряд промежуточных стадий, сливаются в ядро гелия. Из килограмма водорода получается 993 грамма гелия, а оставшиеся семь граммов, по формуле Альберта Эйнштейна, почти целиком превращаются в чистую энергию. И хотя на Солнце каждую секунду «плавится» 600 миллионов тонн водорода, этого топлива хватит на миллиарды лет. 

Но есть ли гарантия, что эти выводы верны? Мы, конечно, не имеем возможности заглянуть в солнечное ядро. Но зато способны фиксировать идущие из его раскаленного центра сигналы в виде нейтрино. Эти электрически заряженные элементарные частицы выделяются при слиянии протонов водорода и практически беспрепятственно пролетают сквозь сверхплотную солнечную материю.

Хотя нейтрино почти не вступают в контакт с веществом, физики смогли зарегистрировать их с помощью гигантских подземных детекторов. А недавно в лаборатории под итальянским горным массивом Гран-Сассо удалось уловить солнечные нейтрино с минимальным энергетическим потенциалом. И это настоящий прорыв в изучении Солнца. По­следний пробел в наших представлениях о процессах его горения заполнен. Количество и энергетический заряд зафиксированных нейтрино полностью подтверждают теорию слияния водородных ядер. 
А вот на следующий вопрос у ученых нет однозначного ответа. 

Солнечный магнетизм служит ключом к секретам нашей звезды. Компьютерная модель показывает, что выпирающие из раскаленного шара линии магнитного поля в основном загибаются обратно. И только на полюсах раскрываются в космос. NASA/Scientific Visualization Studio

Откуда пятна на Солнце? 

«Я не думаю, что это настоящие пятна, скорее уж небесные тела, которые частично прикрывают собой солнце, то есть звезды, находящиеся между нами и Солнцем или же вращающиеся вокруг него». Кристоф Шейнер, 1612 год 

Спор иезуита Кристофа Шейнера с астрономом Галилео Галилеем о происхождении пятен на Солнце — нечто большее, чем просто научный диспут.

В эпоху Ренессанса небесное светило воспринималось как образец совершенного Божьего творения. А как вообще может существовать «запятнанный» идеал?! 

Сейчас уже известно, что пятна на Солн­це — это участки более холодного веще­ства. Поэтому они и кажутся нам темнее. Иногда эти зоны по ширине в четыре раза превышают радиус Земли. И не исчезают неделями. Сами пятна находятся на поверхности, но их источник лежит под ней. Солнечные магнитные поля, в десять тысяч раз превосходящие по мощности магнитное поле Земли, мешают выходу раскаленной плазмы из глубины на поверхность. Температура в таких зонах падает. 

Что именно происходит под солнечным пятном — пока загадка. Заглянуть туда даже с помощью самых передовых технологий мешают те же магнитные поля. Бернхард Флек говорит: «После анализа одних и тех же данных астрономы пришли к разным выводам. Так что толку от этой информации пока мало». 

Передовой край исследований Солнца — компьютерное моделирование возникновения и изменения темных зон. В перспективе у этих экспериментов еще более амбициозная цель — выявить закономерности солнечного цикла. Количе­ство пятен уменьшается и возрастает с периодичностью, составляющей примерно 11 лет. Первые темные зоны в начале цикла возникают на средних широтах — около тридцатых параллелей южной и северной широт. Но затем они начинают появляться все ближе к экватору, растягиваясь поперек солнечного диска. Почему так происходит? 

«Это одна из самых больших загадок», — считает Флек. 

Кроме постоянно дующего «спокойного» солнечного ветра время от времени от нашей звезды к нашей планете устремляется мощный поток вещества. Такие «корональные выбросы массы» могут пробить магнитный щит Земли. Фото: NASA

Что движет солнечными циклами?

«Пятна на Солнце видоизменяются, причем быстро и в такой последовательности, которая свидетельствует о влиянии какой-то мощной силы, действующей под его поверхностью». Уолтер и Эни Маундер, 1908 год

Английские астрономы и по совместитель­ству супруги Маундер были бы удивлены, если бы узнали, что именно удалось недавно выяснить ученым о силах, действующих в так называемой «подфотосферной» области Солнца. Оказалось, что разгадать секрет периодического изменения солнечной активности поможет понимание устройства его магнитного поля. Оно исходит из зоны конвекции, и его линии, ориентированные с севера на юг, в результате дифференциальной ротации все сильнее закручиваются. В местах их выхода на поверхность и образуются солнечные пятна. 

Но одного этого для объяснения 11-годичного солнечного цикла недостаточно. По самому популярному сейчас научному сценарию, не менее важная роль в этом процессе принадлежит «меридиальной циркуляции». Так называют особое течение плазмы вдоль меридианов от экватора к северному и южному полюсам. Ее потоки увлекают за собой магнитное поле. Если с востока на запад плазма движется со скоростью 2000 метров в секунду, то в направлении полюсов она, судя по последним замерам, течет спокойно, преодолевая у поверхности примерно 20 метров в секунду. На высоких широтах плазма вновь погружается под поверхность. На глубине она устремляется обратно к экватору — вместе с магнитным полем. 

«Многие специалисты считают, что продолжительность солнечного цикла с образованием пятен зависит как раз от циркуляции плазмы по оси «север — юг», — говорит Лоран Гизон, эксперт по гелиосейсмологии из Института Макса Планка по изучению Солнечной системы в Геттингене. — Это течение действует как ленточный конвейер. Если бы оно было быстрее, цикл был бы короче». 

Что же происходит в недрах Солнца? Пока ученые представляют это лишь в общих чертах. Вот почему наука еще не в силах точно спрогнозировать интенсивность следующего солнечного цикла. Хотя жителям Земли со­всем не безразлично, что творится на самой близкой к нам звезде. Ведь в случае эксцессов на Солнце нам не поздоровится. 

При затемнении ослепительно яркого звездного диска видна лучистая корона. Здесь на Солнце наложен снимок, показывающий ориентацию магнитных полей на его поверхности. Фото: Tahar Amari /Centre de physique thÈorique.CNRS-Ecole Polytechnique.FRANCE & Eclipse S.Habbal and M. DruckMüller

Как влияет на нас солнечная активность? 

«Предположение о связи земных магнитных бурь с пятнами на Солнце не имеет под собой реальных оснований. Совпадение периодов — чистая случайность». Лорд Кельвин, 1892 год

Еще за тридцать с лишним лет до того, как английский физик лорд Кельвин высокомерно отверг предположение о влиянии солнечных циклов на Землю, Солнце продемонстрировало, что оно способно сделать с нашей планетой. В 1859 году произошла самая мощная в истории астрономии геомагнитная буря. «Событие Кэррингтона» — такое название она получила в честь британского астронома, наблюдавшего наиболее яркую вспышку на Солнце. В процессе так называемого коронального выброса массы (КВМ) наша звезда извергла в простран­ство гигантское облако протонов, электронов и других электрически заряженных частиц. Магнитный щит Земли обычно надежно защищает планету от космических частиц, отклоняя их поток от первоначальной траектории и направляя вокруг земного шара. Но тот «супершторм» его сильно потрепал. Полярное сияние видели даже на Кубе. Телеграфное сообщение в Америке и Европе было нарушено — линии передачи искрились.

А чем может грозить солнечная буря такой силы в наше время? Ведь зависимость от техники многократно возросла. Залп мощностью более десяти миллионов тонн плазмы просто опустошит Землю. Выжжет трансформаторы, вызовет короткие замыкания в электросетях и сбой в системах спутниковой навигации. 

В 2012 году мы были на волосок от такого катаклизма: облако солнечных частиц пролетело совсем рядом с Землей. Сейчас для раннего предупреждения о КВМ американские и европейские специалисты организовали центры прогнозирования космической погоды. Их прогнозами пользуются авиакомпании, спутниковые операторы и военные.

«Хотя до Солнца 150 миллионов километров, не стоит забывать, что мы живем не просто рядом с магнитоактивной звездой, а в пределах ее внешней атмосферы, — говорит Бернхард Флек. — Мы все дети гелиосферы». 

30.06.2017

http://www.geo.ru/nauka/231221-ad-v-nebesah