Вспышки, пятна и загадки: как устроено Солнце и когда погаснет

Астрономы иногда говорят, что звезда — самый простой объект во Вселенной. Что может быть примитивнее газового шара? Это не чёрные дыры и не загадочная тёмная энергия. Но в действительности ближайшая к нам звезда, Солнце, до сих пор хранит немало тайн. Светило существует одновременно и по законам космогонии, и по законам микромира. И те, и другие в наше время хорошо изучены, но это не мешает им конфликтовать между собой. С нашим светилом вообще связано немало загадок. И оно способно преподнести неприятные сюрпризы.

С чего начиналось?

Началось всё 4,6 миллиарда лет назад в «звёздной колыбели» — облаке газа размером 300 на 50 световых лет. Некогда этот газ входил в состав массивных звёзд, взорвавшихся как сверхновые. Потом газ остыл и гравитация преодолела внутреннее давление тучи, в результате чего газопылевая туманность начала распадаться на отдельные фрагменты, каждый из которых, закручиваясь, сжимался к собственному центру. Одному из этих клочьев предстояло стать Солнцем.

Сжимаясь, газ нагревается, но, поскольку часть энергии уносится излучением, дальнейшему уплотнению это не препятствует. Представляя собой приплюснутую сферу размером с орбиту Марса, протосолнце уже ярко светило. Правда, лишь в тепловом диапазоне. Сияние раскалённых внутренних областей ещё не пробивалось через тучи пыли. Чуть позже в центре диска вспух тусклый багровый шар. В недрах рождающейся звезды температура достигла миллиона кельвинов, и начались термоядерные реакции. Но только начались. Поначалу их интенсивность была невелика, и остановить сжатие они не могли.

Молодое Солнце было огромно — до современной орбиты Меркурия. Основным источником энергии оставалось гравитационное сжатие. Быстро «сдуваясь» и твердея, взрослеющее светило выбрасывало мощные потоки солнечного ветра, разгоняющего к границам системы невостребованные остатки газа.

Пекло

Описание звезды как шара, состоящего из сжатого, раскалённого, ионизированного газа, даёт ошибочное представление о внутренней структуре Солнца. Ничего подобного тому, что мы обычно понимаем под «газом», в недрах светила нет. Сердцевина звезды представляет собой твёрдое — даже сверхтвёрдое! — вещество, аналогов которому в мире планет не найти.

В «холодной» твёрдой материи молекулы сцеплены электронными оболочками. Солнечное же вещество — масса ядер водорода и гелия, распираемая изнутри кулоновской силой (отталкиванием одноимённых зарядов) и скреплённая лишь наружным давлением. Скреплённая так надёжно, что плотность вещества достигает 150 тонн на кубический метр. В результате частицы, набитые в тысячу раз плотнее, чем это дозволяется классической физикой, даже при температуре 14 миллионов градусов куда менее подвижны, чем молекулы в составе кристалла.

Если бы звёздная материя могла существовать при нормальных давлении и температуре, мы наблюдали бы слиток необычного материала, похожего на те, из которых в фантастике изготовлены инопланетные артефакты. Очень тяжёлого — всемеро тяжелее такого же объёма золота — и непроницаемо чёрного, поглощающего даже излучения, для которых не станет преградой аналогичная толща свинца. На Земле не нашлось бы ни инструмента, способного его оцарапать, ни машин, которые смогли бы его деформировать.

Твёрдый водород, химически оставаясь неметаллом, приобретает многие свойства металла. В частности, отлично проводит электрический ток (ведь электроны не связаны с протонами). Но электропроводность — единственная слабость «чёрного водорода». Материал солнечных недр фактически не проводит тепло! Силы электростатического отталкивания прочно удерживают на своих местах частицы, не позволяя им обмениваться кинетической энергией «традиционным способом».

Единственный способ передачи энергии в «чёрном водороде» — эстафета фотонов. Квант, излучённый одним ядром, немедленно поглощается соседним, а затем переизлучается. Бесконечными «рикошетами» фотон пробивается к внешним слоям звезды со скоростью всего два километра в год. Лишь одна форма движения возможна в «чёрном водороде». Не выдерживая сжатия, материя звезды постепенно проседает, «складываясь в себя». Четыре ядра водорода сливаются в занимающее значительно меньший объём ядро гелия. Это и есть реакция термоядерного синтеза.

Твёрдая сердцевина занимает половину объёма Солнца и условно делится на две не имеющие чёткого разграничения зоны: ядро, имеющее радиус 20-25% солнечного (только в этой зоне давление достаточно для протекания термоядерных реакций), и зону лучистого переноса. Через последнюю родившиеся в ядре фотоны медленно и мучительно протискиваются к границе конвективной зоны — аналогу мантии планет.

Материя солнечной мантии представляет собой столь же экзотическую субстанцию, как и «чёрный водород» недр. Её можно назвать «жидким пламенем» — причём термин окажется удивительно точным. Ведь пламя — струи раскалённого, ионизированного газа. В недрах Солнца он просто сжат до состояния жидкости — в глубинах плотной и вязкой, как ртуть, выше же подобной расплавленному камню.

В конвективной зоне энергия переносится за счёт перемешивания породы. Нагретый жаром ядра «жидкий огонь» течёт вверх, навстречу ему опускаются охлаждённые массы. Это движение упорядочено по колоннам конвекции — шестигранным призмам шириной 20 тысяч и высотой 200 тысяч километров. Каждая из больших колонн — «супергранул» — разделяется на меньшие столбы по 5 тысяч километров в ширину. А внутри них, в свою очередь, различимы «гранулы» с поперечником от 500 до 1200 километров. По оси гранул водород поднимается, а по граням стекает вниз.

У поверхности конвективная зона переходит в фотосферу — трёхсоткилометровую толщу уже вполне обычного по своим физическим свойствам жидкого водорода. Это — зона охлаждения солнечной материи. Выделившаяся в твёрдом ядре энергия уносится излучением. Обычно указывается, что температура фотосферы Солнца — 5800 К. В действительности же поверхность Солнца нагрета лишь до 4000 градусов, но сквозь верхние слои водорода пробивается свет от глубинных, куда более раскалённых.

Если земной океан подёрнут лишь лёгкой рябью волн, с высоты незаметных, то солнечная фотосфера кипит. Хлещущий из гранул со скоростью один-два километра в секунду водород вздымается буграми высотой в десятки километров. Над морем жидкого пламени ползут сияющие облака-флоккулы и танцуют спикулы — огненные смерчи шириной 500 и высотой 10 000 километров.

О солнечной атмосфере — хромосфере — достаточно сказать, что её плотность позволяет водороду оставаться жидким даже при температуре 4000 К. Но если в отдалённом будущем эту зону удастся увидеть изнутри объективами жаропрочной автоматической станции, то отнюдь не циклопические столбы спикул более всего поразят наблюдателя. Даже буйство пламени померкнет перед разрушительной силой звука, сотрясающего хромосферу. Над бурлящей поверхностью звезды стоит гул громовых раскатов и царит хаос ударных волн.

Вероятно, именно звук (точного ответа пока не существует) разогревает до миллиона градусов солнечную корону — окружающее светило облако плазмы. Вытягивающиеся на миллион и более километров протуберанцы, наблюдаемые в этой области, иногда ошибочно считаются «султанами взрывов». На самом деле это лишь плотные сгустки водорода, захваченные магнитным полем.

Космическая погода

В старину монархов нередко сравнивали с Солнцем. Ведь власть Солнца над нами беспредельна. Оно практически монопольно поставляет энергию. Тепло, необходимое для сохранения воды в жидкой форме, а значит, и для поддержания жизни; свет, без которого невозможен фотосинтез; кислород, пища, нефть, уголь, газ, появившиеся благодаря фотосинтезу, — всё это даруется нам светилом… Это прекрасно, но порождает некоторое беспокойство. Своей властью Солнце может распорядиться и нам во вред.

В фильме Денни Бойла «Пекло» (2007) Солнце начинает гаснуть. Чтобы предотвратить новый ледниковый период, на Солнце взрывают огромную бомбу. Но глобальная катастрофа, вызванная солнечной вспышкой и последующей магнитной бурей, как в телефильме «Взорванное Солнце» (2013), — наиболее реалистичный сценарий. Обладая вращающимся ядром из проводящего ток материала, наша звезда, разумеется, имеет и магнитное поле, меняющее полярность раз в 22 года. Но помимо общего солнечного магнитного поля, кольцевые токи в глубине конвективной зоны порождают ещё и в тысячу раз более мощные блуждающие поля. Именно они ответственны за появление солнечных пятен, многочисленных в периоды высокой активности и практически не наблюдающихся между ними.

«Пятна» — группы фотосферных гранул с пониженной до 4300 К температурой. Магнитные поля парализуют доставку нагретого вещества по конвективным колоннам к поверхности фотосферы. С пятнающими лик Солнца кольцами магнитных силовых линий связаны и солнечные вспышки. Если два противонаправленных поля замыкаются накоротко, выделяется энергия, эквивалентная взрыву 100 000 термоядерных бомб.

Сам по себе термоядерный взрыв для нас безвреден, ведь Солнце находится достаточно далеко. Но хромосферную молнию, масштабы которой лежат за пределами человеческого воображения, сопровождает громовой раскат соответствующей силы. Ударная волна срывает часть солнечной короны и выстреливает облаком плазмы в случайном направлении. Обычно в безопасном — вспышки чаще происходят возле полюсов. Но иногда потоки заряженных частиц обрушиваются на Землю.

Сначала удар принимает магнитосфера планеты. Клочья солнечной плазмы закручиваются в радиационных поясах. И возникающий электрический ток порождает колебания магнитных полей уже вблизи Земли. Это явление называют «магнитной бурей», хотя в большинстве случаев это чуть заметный ветерок, едва регистрируемый приборами. Но несколько раз за столетие Солнце пробивает защиту. Особенно тяжело пришлось в 1859 году, когда даже в тропиках полярные сияния превращали ночь в день, а по телеграфным линиям вместо отстукиваемых ключом депеш передавалась зловещая бессмыслица. В протяжённых электрических сетях магнитная буря может индуцировать токи силой в сотни ампер, нарушая работу систем энергоснабжения, сжигая оборудование, а иногда и вызывая аварии на газопроводах. Почему на газопроводах? Металлическая труба длиной в сотни километров — отличный проводник.

Повторение события полуторавековой давности и даже вдесятеро более мощная атака, конечно, не ввергнет цивилизацию в хаос, но материальный урон будет огромен, а человеческие жертвы могут исчисляться десятками тысяч: упавшие самолёты, техногенные катастрофы, вызванные выходом из строя оборудования, отказавшая медицинская аппаратура. Именно катастрофическая солнечная вспышка стала первой причиной упадка цивилизации в цикле «Бегущий в лабиринте» Джеймса Дэшнера. Впрочем, люди постарались, чтобы ухудшить ситуацию на Земле…

Сминая первую линию защиты Земли, потоки солнечных частиц могут достигать ионосферы. У нашей планеты тоже есть своя «плазменная корона» — разреженная оболочка из ионизированного газа, простирающаяся до высоты 400 километров. Фактически это глубокий вакуум, уже почти не препятствующий движению космических аппаратов. Но после того, как солнечный ветер ударяет по верхним слоям земной атмосферы, раскаляя их, этот вакуум становится куда менее глубоким. Так в 1979 году солнечная вспышка «сбила» американскую орбитальную станцию «Скайлэб». Кроме того, ионосфера может быть «зеркалом», отражающим обратно к Земле радиоволны, вследствие чего магнитные бури способны нарушать связь.

Механизм воздействия магнитных бурь на самочувствие человека пока не до конца понятен. Геоиндукционные поля очень слабы, однако некоторые люди способны ощущать тончайшие изменения магнитного поля. Как и чем? Загадка. Возможно, физический дискомфорт, связанный с магнитными бурями, имеет психосоматическую природу.

Солнечные циклы

В телефильме «Сверхновая» (2005) Земле угрожает гибель в результате взрыва светила. Но такого развития событий не стоит опасаться — масса Солнца для этого недостаточна. Тем не менее многие встречающиеся в фантастике сценарии катастрофы наука не может отвергнуть с такой же уверенностью, ведь наши знания о Солнце всё ещё очень ограничены. Что именно там происходит, мы уже знаем. Но почему это происходит именно таким образом, в данный момент и с наблюдаемой интенсивностью — увы, нет.

Равновесие, в котором пребывают недра Солнца, устойчиво, но не статично. Звезда «дышит», циклически меняя свою активность. Гравитация приводит к сжатию — крошечному, но наблюдаемому. Сжатие повышает интенсивность термоядерных реакций, которые, в свою очередь, приводят к нагреву и расширению. В результате светимость колеблется в пределах 0,1%. Но почему-то неравномерно. Кратчайший, 11-летний цикл, несмотря на название, длится от 9 до 14 лет. И это очень странно. Более странно, чем если бы продолжительность года на Земле непредсказуемо менялась от 9 до 14 месяцев. Ведь Солнце, в отличие от Земли, внешним воздействиям не подвержено.

Помимо 11-летних циклов, светимость Солнца колеблется с периодами 70-100, 200-300 и 2000 лет — тоже нерегулярными. И возникает вопрос, какие процессы в столь гигантской системе (тепло от ядра к фотосфере проходит за 200 тысяч лет) вообще могут протекать с высокой и непостоянной скоростью? Очевидно, это могут быть лишь электромагнитные процессы. Это наверняка как-то связано с циклами активности. Знать бы ещё, как именно.

Время от времени наше светило берёт отпуск — светимость снижается на 0,2-0,6%. Что происходит в таком случае, нам вскоре предстоит узнать. С учётом непредсказуемости нашего светила подобного развития событий можно ожидать в любой момент. Прошлый длительный период низкой активности, получивший название «минимум Маундера» или «малый ледниковый период», продолжался с 1645 по 1715 год. Реки в средней полосе России тогда сковывались льдом на полгода.

Изменения климата, как и колебания солнечной активности, за последние тысячи лет хорошо изучены. И связь между похолоданиями и периодами «спокойного Солнца» достаточно очевидна. Казалось бы, всё просто, но… механизм этой зависимости остаётся загадкой. Само по себе изменение светимости на доли процента значимых последствий иметь не может. Среди выдвигаемых гипотез есть даже такая, согласно которой Землю на самом деле замораживают излучения галактического ядра. Если долго нет вспышек и плазменных атак, радиационные пояса Земли слабеют и космические частицы достигают атмосферы, вызывая конденсацию пара и образование отражающих свет облаков.

Когда погаснет Солнце?

По мере превращение водорода в гелий ядро звезды уплотняется. Это приводит к росту давления и ускоряет термоядерные реакции. С возрастом, расходуя горючее, звезда не тускнеет, а разгорается всё сильнее. В случае Солнца это означает увеличение светимости на 10% за миллиард лет. И даже дополнительные 10% будут для Земли лишними — выживут только термофильные организмы в закипающих у поверхности океанах. А ещё через 2,5 миллиарда лет, полностью потеряв воду, наша планета превратится в подобие Венеры.

Зато от увеличения светимости Солнца в выигрыше окажется Марс. Через миллиард лет на Марсе растают ледники, потекут реки и появится плотная атмосфера. Это будет засушливый, но вполне пригодный для жизни мир. Последними эстафету примут спутники Сатурна — когда лучи умирающего Солнца на короткое время растопят льды.

Через 7 миллиардов лет в сжимающемся ядре Солнца закончится водород. Но температура в недрах светила к этому времени уже будет так велика, что реакция синтеза станет возможной в конвективной зоне. Ненадолго. «Жидкий огонь» способен расширяться при нагреве. Выделение энергии в «мантии» звезды приведёт к тому, что её размеры увеличатся в сотни раз, давление упадёт и синтез прекратится. Солнце превратится в красный гигант светимостью в 3-5 тысяч раз выше современной. Затем в ядре вспыхнет гелий, и резко возросший поток излучения вытолкнет раздувшуюся газовую оболочку за пределы гравитационной ямы.

Меркурий и Венера будут поглощены фотосферой Солнца. Уран и Нептун покинут теряющее гравитационную хватку светило. Но Земля, перейдя на орбиту с вдвое большим радиусом, вероятно, уцелеет. Агония звезды продлится ещё 100 миллионов лет — после чего догорит и гелий. Звезда превратится в белый карлик — крошечный шар из углерода и кислорода, заливающий руины солнечной системы яростными потоками рентгеновского излучения.

Дальнейший синтез станет невозможным. Ведь чем тяжелее элемент, тем больше электрический заряд ядер и выше силы кулоновского отталкивания. Превращение белого карлика в чёрный — холодный, не излучающий, — займёт ещё четыре миллиарда лет.

* * *

Прогнозировать события на Солнце пока можно только на основе опыта наблюдений. Но именно этот опыт свидетельствует, что за весь период существования человечества светило ещё ни разу нас не уничтожило.