Когда взорвется солнце?

Возраст Солнца оценивается большинством астрофизиков примерно в 4,59 миллиарда лет. Его относят к средним или даже малым по величине звездам — такие звезды существуют дольше, чем их более крупные и быстро выгорающие сестры. Солнце пока успело израсходовать меньше половины имевшегося в нем водорода: из доли в 70,6 процента от первоначальной массы солнечного вещества осталось 36,3. В ходе термоядерных реакций водород внутри Солнца превращается в гелий. 

Для того чтобы пошла реакция термоядерного синтеза, необходимы высокая температура и высокое давление. Ядра водорода представляют собой протоны — элементарные частицы с положительным зарядом, между ними действует сила электростатического отталкивания, мешающая им сближаться. Но внутри действуют также значительные силы всемирного притяжения, которые мешают протонам разлетаться. Напротив, они прижимают протоны настолько близко друг к другу, что начинается ядерный синтез. Часть протонов при этом превращается в нейтроны, и силы электростатического отталкивания ослабевают; в результате светимость Солнца повышается. По оценкам ученых, на начальном этапе существования Солнца его светимость составляла только 70 процентов от того, что оно излучает сегодня, и в последующие 6,5 миллиардов лет светимость звезды будет только расти.

Впрочем, с этой самой распространенной и вошедшей в учебники точкой зрения продолжают спорить. И главной темой для спекуляций служит именно химический состав солнечного ядра, о котором можно судить только по весьма косвенным данным. В одной из конкурирующих теорий предполагается, что основным элементом в солнечном ядре является вовсе не водород, а железо, никель, кислород, кремний и сера. Легкие элементы — водород и гелий — присутствуют только на поверхности Солнца, и реакция синтеза облегчается благодаря большому количеству нейтронов, излучаемых ядром.

Оливер Мануэль (Oliver Manuel) разработал эту теорию в 1975 году и с тех пор старается убедить научное сообщество в её справедливости. У него есть некоторое количество сторонников, но большинство астрофизиков считают её полным вздором.

Переменная звезда V838 Единорога (V838 Monocerotis) расположена на краю нашей галактики. На этом снимке изображена часть пылевой оболочки звезды. Размер этой оболочки составляет шесть световых лет. То световое эхо, которое видно сейчас, запаздывает по отношению к самой вспышке всего на два года. Астрономы ожидают, что световое эхо будет продолжать высвечивать пылевые окрестности звезды V838 Mon в процессе расширения по крайней мере до конца этого десятилетия.

Какая из теорий ни была бы справедлива, «солнечное горючее» рано или поздно будет кончаться. Из-за недостатка водорода термоядерные реакции начнут приостанавливаться, и равновесие между ними и силами притяжения нарушится, отчего внешние слои прижмутся к ядру. От сжатия концентрация оставшегося водорода повысится, ядерные реакции усилятся, и ядро начнет расширяться. Общепринятая теория предсказывает, что в возрасте 7,5–8 миллиардов лет (то есть через 4–5 миллиардов лет) Солнце превратится в красного гиганта: его диаметр увеличится более чем в сто раз, так что орбиты первых трех планет Солнечной системы окажутся внутри звезды. Ядро очень горячее, а температура оболочки гигантов небольшая (около 3000 градусов) — и поэтому красного цвета.

Характерной особенностью красного гиганта можно считать то, что водород уже больше не может служить «горючим» для ядерных реакций внутри него. Теперь начинает «гореть» уже гелий, скопившийся там в больших количествах. При этом образуются неустойчивые изотопы бериллия, которые при бомбардировке их альфа-частицами (то есть теми же ядрами гелия) превращаются в углерод.

Именно на этом жизнь на Земле, да и сама Земля, скорее всего, уже гарантированно прекратит свое существование. Даже той невысокой температуры, которую на тот момент будет иметь солнечная периферия, хватит, чтобы наша планета полностью испарилась.

Конечно же, человечество в целом, как каждый человек по отдельности, надеется на вечную жизнь. Момент превращения Солнца в красного гиганта накладывает на эту мечту определенные ограничения: подобную катастрофу человечеству если и удастся пережить, то только за пределами своей колыбели. Но уместно тут напомнить, что один из крупнейших физиков современности Стивен Хокинг (Stephen Hawking) уже давно утверждает: момент, когда единственным способом выжить для человечества станет колонизация других планет, уже почти настал. Внутриземные причины сделают эту колыбель невозможной для обитания гораздо раньше, чем что-то плохое случится с Солнцем.

Давайте тут подробнее о сроках:

Солнце. Звезда давшая начало всему живому в нашей системе, приблизительно в 750 раз превосходит по массе все остальные тела солнечной системы, поэтому всё в нашей системе можно считать обращающимся вокруг солнца, как общего центра масс.

Солнце — это сферически симметричный раскаленный плазменный шар, находящийся в равновесии. Оно, вероятно, возникло вместе с другими телами Солнечной системы из газопылевой туманности примерно 5 млрд. лет назад. В начале своей жизни солнце, примерно на 3/4 состояло из водорода. Затем, из-за гравитационного сжатия, температура и давление в недрах настолько увеличились, что самопроизвольно начала происходить термоядерная реакция, в ходе которой водород превращаться в гелий. В результате этого очень сильно поднялась температура в центре Солнца, (порядка 15.000.000о К), а давление в его недрах возросло настолько ( 1,5х105 кг/м3), что смогло уравновесить силу тяжести и остановить гравитационное сжатие. Так возникла современная структура Солнца.

Примечание : В звезде есть гигантский резервуар гравитационной энергии. Но черпать из него энергию безнаказанно нельзя. Нужно, чтобы Солнце сжималось, причем оно должно уменьшаться в 2 раза каждые 30 миллионов лет. Полный запас тепловой энергии в звезде примерно равен ее гравитационной энергии с обратным знаком, т. е. порядка GM2/R. Для Солнца тепловая энергия равна 4*1041 Дж. Каждую секунду Солнце теряет 4*1026 Дж. Запаса его тепловой энергии хватило бы лишь на 30 миллионов лет. Спасает термоядерный синтез — объединение легких элементов, сопровождающеесся гигантским энерговыделением. Впервые на него этот механизм , еще в 20-е годы 20-го века, указал английский астрофизик А. Эдингтон, который заметил что четыре ядра атома водорода (протона) имеют массу 6,69* 10-27 кг, а ядро гелия — 6,65* 10-27 кг. Дефект массы объясняется теорией относительности. По формуле Эйнштейна полная энергия тела связана с массой соотношением E = Мс2. Энергия связи в гелии на один нуклон больше, значит, глубже его потенциальная яма и меньше его полная энергия. Если каким-то образом из 1 кг водорода синтезировать гелий, выделится энергия, равная 6* 1014 Дж. Это примерно 1 % полной энергии затраченного топлива. Вот вам и резервуар энергии.

Современники, однако, скептически отнеслись к гипотезе Эдингтона. По законам классической механики для сближения протонов на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил необходимо преодолеть силы кулоновского отталкивания. Для этого их энергия должна превышать величину кулоновского барьера. Расчёт показал, что для начала процесса термоядерного синтеза необходима температура около 5 млрд градусов, но температура в центре Солнца примерно в 300 раз меньше. Таким образом, Солнце казалось недостаточно горячим для того, чтобы в нем был возможен синтез гелия.

Гипотезу Эдингтона спасла квантовая механика. В 1928 году молодой советский физик Г.А. Гамов обнаружил, что согласно ее законам частицы могут с некоторой вероятностью просачиваться через потенциальный барьер даже в том случае, когда их энергия ниже его высоты. Это явление получило название подбарьерного или туннельного перехода. (Последнее образно указывает на возможность очутиться по другую сторону горы, не взбираясь на ее вершину.) С помощью туннельных переходов Гамов объяснил законы радиоактивного a-распада и тем самым впервые доказал применимость квантовой механики к ядерным процессам (почти в то же время туннельные переходы были открыты Р. Генри и Э. Кондоном). Гамов обратил также внимание на то, что благодаря туннельным переходам сталкивающиеся ядра могут вплотную сблизиться друг с другом и вступить в ядерную реакцию при энергиях, меньших величины кулоновского барьера. Это побудило австрийского физика Ф. Хоутерманса (которому Гамов рассказал о своих работах еще до их публикации) и астронома Р. Аткинсона вернуться к идее Эдингтона о ядерном происхождении солнечной энергии. И хотя одновременное столкновение четырех протонов и двух электронов с образованием ядра гелия представляет собой крайне маловероятный процесс. В 1939 году Г. Бете удалось найти цепочку (цикл) ядерных реакций, приводящих к синтезу гелия. Катализатором синтеза гелия в цикле Бете выступают ядра углерода C12, количество которых остается неизменным

Итак — реально в качестве топлива для звезд может служить только центральная их часть с массой, составляющей 10 % полной массы. Подсчитаем, на сколько времени хватит Солнцу ядерного топлива.

Полная энергия Солнца М*с2 = 1047 Дж, ядерная энергия (Еяд) составляет примерно 1%, т. е. 1045 Дж, и с учетом того, что не все вещество может сгореть, получится 1044 Дж. Разделив эту величину на светимость Солнца 4*1026 Дж/c, получим, что его ядерной энергии хватит на 10 миллиардов лет.

Вообще масса звезды однозначно определяет её дальнейшую судьбу, так как ядерная энергия звезды Еяд ~ Мс2 , а светимость ведет себя примерно как L ~ М3. Время выгорания называют ядерным временем; оно определяется как tяд =~ Еяд/L = lO10 (M/MСолнца)-2 лет.

Чем больше звезда, тем быстрее она себя сжигает!. Соотношение трех характерных времен — динамического, теплового и ядерного — определяет характер эволюции звезды. То, что динамическое время много меньше теплового и ядерного, означает, что звезда всегда успевает прийти в гидростатическое равновесие. А то, что тепловое время меньше ядерного,- что звезда успевает прийти и в тепловое равновесие, т. е. в равновесие между количеством энергии, выделяемым в центре в единицу времени, и количеством энергии, излучаемым поверхностью звезды (светимостью звезды). В Солнце каждые 30 миллионов лет обновляется запас тепловой энергии. Но энергия в Солнце переносится излучением. Значит, фотонами. Фотон, рожденный в термоядерной реакции в центре, на поверхности появляется через тепловое время, ~ 30 миллионов лет). Фотон движется со скоростью света, но, все дело в том, что он, постоянно поглощаясь и переизлучаясь, сильно запутывает свою траекторию, так что ее длина становится равной 30 миллионам световых лет. За такое большое время излучение успевает прийти в тепловое равновесие с веществом, по которому оно движется. Поэтому спектр звезд и близок к спектру черного тела. Если бы источники термоядерной энергии «выключились» (подобно лампочке) сегодня, то Солнце продолжало бы светить еще миллионы лет.

Но даже если пророчеству Хокинга и его многочисленных предшественников и единомышленников во всем мире суждено сбыться и человечество отправится на строительство «внеземной цивилизации», судьба Земли по-прежнему будет волновать людей. Поэтому многие астрономы с особым интересом относятся к звездам, похожим на Солнце по своим параметрам, — в особенности когда эти звезды превращаются в красных гигантов.

Так, группа астрономов под руководством Сэма Рэгланда (Sam Ragland) с помощью инфракрасно-оптического комплекса из трех объединенных телескопов Arizona’s Infrared-Optical Telescope Array исследовала звезды с массами от 0,75 до 3 масс Солнца, приближающиеся к концу своей эволюции. Приближающийся конец довольно легко опознается по низкой интенсивности линий водорода в их спектрах, и, напротив, по высокой — линий гелия и углерода.

Баланс гравитационных и электростатических сил в таких звездах нестабилен, а водород и гелий внутри них чередуются как вид ядерного топлива, что вызывает изменения яркости звезды с периодом порядка 100 тысяч лет. Многие такие звезды проводят заключительные 200 тысяч лет своей жизни как переменные типа Мира. (Мира-переменные — это звезды, светимость которых регулярно изменяется с периодом от 80 до 1 тысячи дней. Они названы так по имени «родоначальницы» класса, звезды Мира в созвездии Кита).

Иллюстрация: Wayne Peterson/LCSE/University of Minnesota

Визуализированная модель красного пульсирующего гиганта, созданная в лаборатории вычислительной науки и техники Университета Минессоты. Внутренний вид ядра звезды: желтая и красная — области высоких температур, синяя и цвета морской волны — области низких температур.

Именно в этом классе произошло довольно неожиданное открытие: вблизи звезды V 391 в созвездии Пегаса обнаружилась экзопланета, ранее погруженная в раздувшуюся оболочку звезды. Если говорить более точно, звезда V 391 пульсирует, из-за чего её радиус то увеличивается, то уменьшается. Планета, об обнаружении которой группа астрономов разных стран сообщила в сентябрьском номере журнала Nature, имеет массу, более чем втрое превышающую массу Юпитера, и радиус её орбиты в полтора раза больше расстояния, отделяющего Землю от Солнца.

Когда звезда V 391 проходила стадию красного гиганта, её радиус достиг как минимум трех четвертей от радиуса орбиты. Однако к началу расширения звезды радиус орбиты, на которой находилась планета, был меньше. Результаты этого открытия оставляют Земле шанс сохраниться после взрыва Солнца, хотя параметры орбиты, да и радиус самой планеты скорее всего изменятся.

Аналогию несколько портит тот факт, что эта планета, равно как и её материнская звезда, не очень похожи на Землю и Солнце. А главное, V 391 при превращении в красного гиганта «сбросила» значительную часть своей массы, что и «спасло» планету; но это происходит лишь с двумя процентами гигантов. Хотя «сброс» внешних оболочек с превращением красного гиганта в постепенно остывающего белого карлика, окруженного расширяющейся газовой туманностью, не такая уж редкость.

Слишком близкая встреча со своей звездой — самая очевидная, но не единственная неприятность, ожидающая Землю со стороны других крупных космических тел. Вполне вероятно, что Солнце будет превращаться в красного гиганта, уже покинув нашу галактику. Дело в том, что наша галактика Млечный Путь и соседняя гигантская галактика Туманность Андромеды уже миллионы лет находятся в гравитационном взаимодействии, которое в итоге приведет к тому, что Андромеда «подтянет» к себе Млечный Путь, и он станет частью этой крупной галактики. В новых условиях Земля станет совсем другой планетой, более того, в результате гравитационного взаимодействия Солнечная система, как и сотни других систем, могут быть буквально разорваны. Так как гравитационное притяжение Туманности Андромеды намного сильнее гравитации Млечного Пути, последний приближается к ней со скоростью около 120 км/с. С помощью компьютерных моделей, выполненных с точностью до 2,6 миллиона объектов, ученые-астрономы определили, что примерно через 2 миллиарда лет галактики сблизятся, и сила притяжения начнет деформировать их структуры, образуя длинные притягивающиеся хвосты из пыли и газа, звезд и планет. Ещё же через 3 миллиарда лет галактики вступят в непосредственный контакт, в результате которого новая объединенная галактика примет эллиптическую форму (обе галактики на сегодня считаются спиральными).

На этом снимке зафиксировано, как в районе созвездия Большой пес две спиральные галактики (большая имеет номер NGC 2207, маленькая — IC 2163) проходят друг мимо друга, подобно величественным кораблям. Приливные силы галактики NGC 2207 исказили форму IC 2163, отбрасывая звезды и газ в потоки, растягивающиеся на сотни тысяч световых лет (в правом углу изображения).

Cотрудники Гарвардско-Смитсониевского астрофизического центра (The Harvard Smithsonian Center for Astrophysics) профессор Ави Лоэб (Avi Loeb) и его ученик Т. Дж. Кокс (T.J. Cox) предположили, что, если бы мы смогли наблюдать небо нашей планеты через пресловутые 5 миллиардов лет, то вместо привычного нам Млечного пути — бледной полосы тусклых мерцающих точек — мы бы увидели миллиарды новых ярких звезд. При этом наша Солнечная система находилась бы «на задворках» новой галактики — примерно в ста тысячах световых лет от её центра вместо настоящих 25 тысяч световых лет. Впрочем, есть и другие расчеты: после полного слияния галактик Солнечная система может продвинуться ближе к центру галактики (67000 световых лет), а может случиться и так, что она попадет в «хвост» — связующее звено между галактиками. И в последнем случае из-за гравитационного воздействия находящиеся там планеты будут разрушены.

Рассматривать будущее Земли, Солнца, Солнечной системы в целом и Млечного Пути столько же увлекательно, сколько и условно-научно. Огромные отрезки времени прогнозов, недостаток фактов и относительная слабость технологий, а также в немалой степени привычка современного человека мыслить категориями кинематографа и триллеров, влияют на то, что предположения о будущем больше похожи на научную фантастику, только с особым упором на первое слово.