Книга: Дневная звезда. Рассказ о нашем Солнце

Наша ближайшая звезда

Наша ближайшая звезда

И сейчас есть много мест, где «поклоняются» Солнцу, например Майами, Бонди Биг, Коста дель Соль. Но многие ли из поклонников Солнца понимают, почему Солнце генерирует ультрафиолетовые лучи, от которых темнеет наша кожа? Несколько миллионов лет уходит на то, чтобы энергия, освобождающаяся в центре Солнца, достигла его золотой поверхности, и всего восемь минут на то, чтобы она дошла до Земли. Солнечный свет, которым мы сейчас наслаждаемся, «создан» задолго до появления Homo Sapiens как отчетливо выраженного вида. Кто будет на Земле наслаждаться выделяющейся сейчас в центре Солнца энергией, когда она через миллион лет покинет Солнце?

Наше Солнце — это одна из звезд. Но, поскольку Солнце — ближайшая к нам звезда, оно представляет особый интерес для астрономов. Земля удалена от Солнца в среднем на 150 млн. км. Другая ближайшая из известных нам звезд — Проксима Центавра, очень слабая и находится на расстоянии 4 световых лет или 40?10¹² км от Земли. Следовательно, Солнце в 250 раз ближе к нам самой близкой звезды. Чтобы сделать наглядным это различие, приведем следующий пример. Вы, вероятно, держите эту книгу на расстоянии 30 см от глаз. Пусть другая самая ближайшая книга находится на расстоянии в 75 км. Что мы можем увидеть! Даже через мощный телескоп можно различить лишь размер и цвет книги, но о содержании ее мы ничего не узнаем. Может быть, мы сможем прочесть название книги, и тогда будем знать, роман ли это, или путеводитель, или словарь. Астрономы находятся почти в таком же положении. Солнце может быть изучено довольно детально; что же касается звезд, мы узнаем лишь цвет, размеры, вид и приблизительный химический состав.

Итак, наше Солнце — самая важная для нас звезда на небе именно потому, что она ближайшая к нам. В конечном счете Солнце — источник всей энергии на Земле, за исключением той, что вырабатывается на атомных электростанциях или выделяется при радиоактивном распаде элементов. Поэтому мы все интересуемся Солнцем; ведь оно дает свет и тепло, необходимые для жизни растений и животных.

Примерно 100 лет тому назад в 1871 г. Ричард Проктор так назвал свою книгу по солнечной физике: «Солнце: Властелин, Огонь, Свет и Жизнь планетной системы».

Однако интересы астрономов простираются гораздо дальше повседневной жизни: перед ними космическая лаборатория, в которой можно исследовать процессы, важные для Вселенной в целом. Солнце может рассказать нам о самой Вселенной, если мы раскроем тайны его рождения, жизни и неминуемой смерти. В настоящее время примерно пятая часть профессиональных астрономов всего мира, около 500 человек, заняты в основном солнечными исследованиями. Большое число любителей также специализируются в наблюдениях за Солнцем.

Звезды совсем не похожи на планеты. Звезда, подобная Солнцу,— это ярко светящийся шар горячего газа с огненным ядерным очагом. Звезды целиком состоят из газа, и поэтому их поверхность не имеет резких очертаний. А планеты состоят из горных пород или являются шарами холодного газа. Основной отличительной особенностью звезд является то, что они излучают энергию, когда-то захваченную ядрами атомов. У планет, наоборот, незначительные запасы внутренней энергии, и они в основном питаются энергией ближайших звезд. Звезда светит сама по себе, а планету мы можем увидеть при помощи оптических телескопов только потому, что она отражает солнечный свет. Мне кажется очень удивительным то, что законы физики требуют ядерных реакторов размером с Солнце для извлечения энергии из субмикроскопического мира протонов и нейтронов. Размеры солнечного реактора, необходимого для выделения огромной энергии атомных ядер, в 10²² больше размеров самих этих ядер.

Я уже упоминал, что Солнце находится на расстоянии около 150 миллионов километров от Земли. Для определения расстояния до Солнца надо было хорошо разбираться в геометрии. Из астрономов прошлого только греки смогли найти разумный подход к решению этой задачи, так как они прекрасно знали то, что мы сейчас называем эвклидовой геометрией. Над входом в Афинскую академию было написано: «Кто не знает геометрии, пусть сюда не входит». Аристотель (384—322 гг. до н.э.) изучал труды Платона (427— 317 гг. до н.э.) в Академии, основанной в 387 г. до н.э. Труды Аристотеля оказывали огромное влияние на солнечные исследования в течение почти 2000 лет. Один из последователей Платона, Эвклид, живший в III веке до н.э, дал первое связное изложение геометрии прямых линий и идеальных кругов. Он показал, как при помощи логических рассуждений получить основные результаты на основании определенного набора аксиом.

Один из гигантов греческой астрономии Аристарх из Самоса (320—250 гг. до н.э.) сделал попытку использовать геометрию Эвклида для измерения расстояний, о которых до него имели весьма смутное представление. Так, например, Анаксагор (500—428 гг. до н.э.) учил, что Солнце представляет собой раскаленный камень диаметром 50 км. Метод Аристарха совершенно верен, но трудно применим на практике. Он доказал, что в тот момент, когда мы видим на небе точно половину Луны, угол между направлениями Солнце — Луна и Земля — Луна должен быть прямым. Тогда измерение угла между направлениями от Земли до Луны и до Солнца дает возможность определить все углы треугольника Солнце — Луна — Земля.

Аристарх измерил этот важный угол (Солнце — Земля — Луна) и получил величину, равную 87°. На основании этого он сделал вывод, что Солнце примерно в 20 раз дальше от Земли, чем Луна, и находится на расстоянии 6 млн. км. Но прежде чем отнестись пренебрежительно к Аристарху из-за такой большой ошибки, вспомните, что он был первым астрономом, который понял, что Земля вращается вокруг Солнца и что Луна светит за счет отраженного солнечного света. По крайней мере Аристарх показал, что размеры солнечной системы огромны по сравнению с земными масштабами. Солнце дало возможность понять, что Вселенная гораздо больше Земли, что являлось для того времени значительным достижением. Трудность этого наблюдения — одного из немногих реальных наблюдений, проведенных греческими учеными,— состоит в необходимости точно предсказать время, когда Луна будет находиться в своей половинной фазе.

Рис. ГЕЛИОЦЕНТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМЕ КОПЕРНИКА.

Расстояние очень сильно зависит от правильного нахождения угла, а так как угол в 87°, определенный Аристархом, далек от истинного значения, равного 89,85°, то его расчеты расстояния оказались совершенно неверными.

Прошло еще 2 тыс. лет, пока новый научный метод, возникший в XVI веке, начал использоваться для определения размеров солнечной системы. Все началось с Коперника (1473—1543), который в своей книге, опубликованной лишь в год его смерти, выдвинул смелые доводы в пользу того, что именно Солнце находится в центре солнечной системы и что оно не обращается вокруг Земли. В это время господствовало учение Аристотеля, ставшее преобладающим начиная с XIII века. Согласно философским воззрениям Аристотеля, Земля является центром Вселенной. Идеи Аристарха были преданы забвению. Вначале идеи Коперника снискали расположение католической церкви, они были признаны ошибочными только в 1616 г. Выводы Коперника стали составной частью идей, вызвавших интеллектуальное брожение, охватившее Европу в XVII веке.

Тихо Браге (1546—1601), первый наблюдатель в современном смысле этого слова, начал проводить систематические наблюдения за движениями планет в прекрасно оборудованной обсерватории, расположенной на побережье Швеции. Иоганн Кеплер (1571—1630) некоторое время работал помощником Тихо, а после смерти последнего унаследовал все накопленные его учителем данные наблюдений. Кеплер, мистик и астролог, провел фантастически огромную работу по анализу и интерпретации наблюдений Тихо. После двух десятилетий упорного труда он пришел к установлению ряда новых закономерностей. Он обнаружил, что планеты обращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, нашел связь между размером орбиты и временем обращения планеты вокруг Солнца, определил характер изменения скорости движения планеты по ее траектории. Эта работа упрочила положение Солнца как неизменного владыки солнечной системы. Исаак Ньютон (1642—1727), блестящий английский математик, был тем человеком, который раскрыл причины такой поистине королевской власти Солнца.

Кеплер установил ряд законов. Ньютон показал, почему планеты, вращающиеся вокруг Солнца, подчиняются этим законам. Использовав развитую им новую область математики, а именно дифференциальное исчисление, Ньютон объединил силы Земли и неба в единый замечательный синтез: он открыл закон всемирного тяготения. Хорошо известен рассказ о том, как падение яблока привело Ньютона к установлению этого закона. Он показал, что сила, которая притягивает падающий предмет к Земле, удерживает Луну на ее орбите вокруг Земли. Развивая эту идею, он смог показать, что планеты удерживаются на своих орбитах силой притяжения со стороны Солнца. Эллиптическая форма орбит совершенно естественно вытекает из теории Ньютона.

Законы движения, сформулированные Ньютоном, заново дали возможность рассчитать расстояние от Солнца до Земли. Даже сейчас, в конце XX века, непосредственно измерить это расстояние достаточно трудно. Поэтому вместо непосредственного измерения расстояния от Солнца до Земли измеряется в какой-то определенный момент расстояние от Земли до другого тела, обращающегося вокруг Солнца. Такое измерение может быть произведено сравнительно легко. На основании законов Ньютона можно рассчитать все остальные расстояния, принимая расстояние от Земли до Солнца за астрономическую единицу. Для перевода этих расстояний в километры надо было измерить в километрах расстояние хотя бы до одной планеты.

Сначала астрономы пытались измерить расстояние до Марса, так как он находится ближе всех других планет к Земле. Способ измерения заключается в определении видимого положения планеты на небе из разных точек Земли. Если смотреть на нашу соседнюю планету из различных обсерваторий, то из-за паралакса ее положения на небе не будут точно совпадать. Для определения расстояния от Марса до Земли достаточно знать расстояние между двумя обсерваториями и разность угловых положений Марса на небе по их измерениям. Угол направления на Марс телескопов, расположенных на противоположных сторонах земного шара, будет отличаться на 0,75". Первое применение этого метода дало значение расстояния до Солнца, равное примерно 136 млн. км.

Капитан Джеймс Кук во время своего первого путешествия (1768—1771) заново открыл Новую Зеландию и нанес на карту восточную береговую линию Австралии. Кука в основном влекли поиски знаний. Он интересовался географией, этнографией, другими науками. В 1769 г., когда Кук находился на суше в бухте Ботани, Австралия, он провел очень важное наблюдение. Очень редко, всего лишь два раза в 100 лет, с Земли видно, как планета Венера пересекает видимый диск Солнца. Это явление называется прохождением Венеры. Оно происходит так редко потому, что Земля и Венера лежат на орбитах, плоскости которых наклонены друг к другу. Поэтому Земля, Венера и Солнце почти никогда не находятся на одной прямой. Кук наблюдал прохождение Венеры и определил его время, находясь далеко на юге. Вместе с данными северных обсерваторий наблюдения Кука оказались очень полезными для уточнения знаний о размерах солнечной системы.

В 1877 г. шотландский астроном сэр Давид Джилл (1843 — 1914) отправился со своей женой к уединенному острову Восхождения в Южной Атлантике. На острове был только морской гарнизон. Именно здесь провел Джилл целый ряд своих классических наблюдений за планетой Марс, необходимых для определения размеров солнечной системы и расстояния до Солнца. Он наблюдал Марс в момент, когда тот был наиболее близок к Земле за все столетие. Он регулярно наблюдал положение планеты относительно фоновых звезд ранним утром и вечером. При обработке наблюдений использовался тот факт, что вращение Земли смещает обсерваторию между наблюдениями на определенное известное расстояние. Джилл получил довольно точное значение расстояния до Солнца, равное 149 млн. км, в то время как большинство имевшихся оценок лежало в интервале от 144 до 152 млн. км. Джилл выбрал остров Восхождения случайно только из-за хорошей погоды и южного положения.

В 1931 г. благодаря очень близкому приближению к Земле астероида Эрот (25 млн. км) ученые смогли измерить расстояние до Солнца с точностью до 0,01 процента.

До сравнительно недавнего времени использование наблюдений планет было единственным средством определения расстояния от Солнца до Земли. Среднее значение этого расстояния настолько важно, что в современной астрономии ему дано определенное название: астрономическая единица. Однако в настоящее время используется для определения расстояния Солнце — Земля другой метод — радиолокационный. Он обладает феноменальной точностью — значение астрономической единицы определяется с ошибкой до нескольких километров!

Радиолокационный метод легко понять. Передатчик с Земли испускает импульсы радиоволн в сторону Венеры. Радиоволны частично отражаются от твердой поверхности планеты. Хотя возвращающийся сигнал очень слаб после прохождения пути в 100 млн. км от Земли к Венере и обратно, чувствительный радиотелескоп его обнаруживает. Обычно один и тот же телескоп используется в качестве передатчика и радиоприемника. По промежутку времени между передачей импульса и его приемом можно сразу же определить расстояние до планеты, так как радиоволны путешествуют со скоростью света, которая известна с точностью до 10^-12. С помощью радиолокационного метода расстояния в солнечной системе определяются с точностью до 10^-8. Это эквивалентно измерению расстояния между какими-то местами в Лондоне и Нью-Йорке с точностью до нескольких сантиметров. Однако в наши дни, когда космические корабли отправляются за пределы солнечной системы, такая точность жизненно необходима для успеха путешествий, которые могут длиться более 10 лет.

Видимый диаметр Солнца составляет около 32 дуговых минут (32'), немногим больше 0,5 градуса. Он несколько меняется при измерениях с Земли в разное время года. Это происходит потому, что Земля, двигаясь по эллиптической орбите, не всегда находится на одинаковом расстоянии от Солнца. Когда мы ближе всего к Солнцу (любопытно, что это происходит в январе, самом холодном месяце северного полушария), диаметр солнечного диска составляет 32,5', тогда как в июле, когда расстояние от нас до Солнца самое большое, его видимый диаметр равен 31,5'.

Данные об измерениях углового размера Солнца при различных расстояниях от него позволяют рассчитать истинный диаметр Солнца. Он равен приблизительно 1,4 млн. км, т.е. в 109 раз больше диаметра Земли. А объем Солнца больше объема Земли в 1,3 млн. раз.

Ньютоновский закон всемирного тяготения позволяет нам узнать массу Солнца. На Землю действует гравитационная сила, заставляющая ее обращаться по орбите вокруг Солнца. Скорость движения нашей планеты по орбите и ее расстояние до Солнца — это именно те две величины, которые определяют траекторию Земли. Масса Земли также входит в расчетную формулу, и поэтому измерения величин, связанных с движением Земли (скорости и расстояния), позволяют определить массу Солнца. Она примерно в 330 тыс. раз больше массы Земли и составляет 2?10²⁷ тонн (точнее, 1989?10³⁰ кг).

Если бы масса Солнца была в 2 раза больше этого значения, то, чтобы остаться на той же орбите, Земля должна была бы обращаться в 2 раза быстрее. И наоборот, при массе Солнца в 2 раза меньшей, скорость обращения Земли должна быть в 2 раза меньше.

Различие между массами Земли и Солнца можно продемонстрировать при помощи масштабной модели, в которой Земля весит 10 г, а Солнце — 3 т. Но в объеме различие еще больше. Это связано с тем, что Солнце состоит в среднем из менее плотного вещества, чем наша скалистая планета. Средняя плотность Земли равна 5,5 г/см³. Средняя плотность Солнца всего лишь 1,4 г/см³. Небольшая твердая Земля в среднем в 4 раза плотнее упакована, чем огромное огненное Солнце. Уже из этого можно догадаться, что Солнце состоит из газа, а не из твердого вещества, как Земля.

На Солнце сила тяжести в 28 раз больше, чем та, к которой мы привыкли на Земле. Это является следствием большей массы Солнца. Таким образом, вблизи Солнца средний человек весил бы больше 2 т. Чтобы улететь с Солнца, такому воображаемому человеку понадобилась бы очень мощная ракета, поскольку скорость, необходимая для преодоления силы притяжения Солнца, превышает 600 км/с. Мусор, выброшенный из такой ракеты, полетел бы в солнечную мусоросжигающую печь с потрясающей скоростью. За первую секунду свободного падения на Солнце тело прошло бы 150 м, а на Земле всего 5 м.

За последние 100 лет Солнце часто играло важную роль в исследованиях, представляющих значительный интерес для физиков. В начале XX столетия эффект, связанный с солнечной гравитацией, способствовал подтверждению общей теории относительности Эйнштейна. Эта знаменитая теория заменила геометрию прямых линий Эвклида и Ньютона геометрией искривленного пространства. Эйнштейн показал, что при учете эффекта гравитации прямая линия не есть самое короткое расстояние между двумя точками. В частности, луч света будет следовать по слегка изогнутой траектории, если он проходит недалеко от тела значительной массы. Различия между теориями Ньютона и Эйнштейна чрезвычайно малы на уровне нашей повседневной жизни на Земле. Когда вы осторожно ведете машину по шоссе, вы подсознательно пользуетесь законами движения Ньютона, потому что поправки, вытекающие из теории относительности, смехотворно малы. От теории Ньютона необходимо отказаться в тех случаях, когда пространственные или временные масштабы огромны, или скорости чрезвычайно велики, или процессы происходят с участием тел большой массы. Именно вследствие своей огромной силы гравитации, приведшей к возникновению измеримых эффектов, Солнце дало возможность произвести проверку общей теории относительности.

По расчетам Эйнштейна, произведенным в 1915 г., луч света, проходящий вблизи Солнца, должен отклоняться от прямой линии на 1,75". Впервые возможность проверить это предсказание возникла в 1919 г. во время полного солнечного затмения. Экспедиция по наблюдению затмения была организована Эддингтоном. Анализ фотографий, полученных во время затмения, показал, что луч света звезды, проходящий непосредственно вблизи края Солнца, отклонился на предсказанную Эйнштейном величину! Этот результат принес Эйнштейну всемирное признание.

Теория Эйнштейна помогла раскрыть еще одну загадку Солнца. Большая ось эллиптической орбиты Меркурия медленно, но неизменно поворачивается в пространстве. Удивительная ситуация: не только сама планета обращается вокруг Солнца, но и ее орбита. Из-за эффектов, связанных с общей теорией относительности, этот поворот имеет составляющую, равную 43" в столетие.

Таким образом, солнечные исследования помогли физикам-теоретикам найти подтверждение теории, которая в то время была наиболее сложной из когда-либо выдвигавшихся. И эта теория выдержала проверку временем. Общепринято, что она дает правильное описание отношений между материей, тяготением и структурой пространства и времени.

В настоящее время для более точной проверки общей теории относительности мы должны выйти за пределы солнечной системы, однако это нисколько не умаляет исторической важности классического наблюдения 1919 г.

Наблюдение Солнца и в дальнейшем будет вносить огромный вклад как в физику, так и в астрономию, поскольку на Солнце происходят такие явления, какие никогда нельзя будет воспроизвести в земной лаборатории. Проверка теории относительности — один из примеров. Приведем и другие.

Только в астрофизической лаборатории возможны те вариации температуры, какие имеют место внутри Солнца и в его атмосфере. Измерения излучаемой Солнцем энергии показывают, что температура на его поверхности достигает приблизительно 6000 К. При такой температуре все известные нам твердые вещества расплавятся. Другими словами, мы еще не можем построить космический корабль, который не превратился бы в облако газа задолго до того, как он достигнет солнечной поверхности. Любопытно, что прозрачные внешние слои Солнца обладают еще более высокой температурой — в несколько миллионов градусов. При проникновении в глубь Солнца температура и давление растут, пока в центральных областях температура не достигнет нескольких млн. градусов, а давление станет в миллионы раз выше, чем на поверхности Земли. Поскольку ни один прибор не может проникнуть непосредственно даже на поверхность Солнца, внутреннее строение Солнца может быть реально исследовано только при помощи математики и вычислительных машин.

Какие же основные факты о Солнце мы хотим узнать? Поскольку Солнце как источник энергии влияет на все растущее и двигающееся на Земле, важно узнать как можно больше о природе той центральной энергостанции, которая питает Солнце. Также необходимо выяснить, постоянна ли излучаемая Солнцем энергия. Любое изменение ее величины могло бы сильно повлиять на климат и погоду на Земле. Не это ли является причиной климатических изменений, особенно таких, как наступление ледниковых периодов? Человек особенно зависим от колебаний солнечного излучения. Существование земных энергетических ресурсов, которые наша технология позволяет использовать, в большой степени затушевало тот факт, что Солнце является единственным надежным и безопасным для окружающей среды источником энергии. Залежи каменного угля не слишком велики, а ядерная энергия слишком опасна, чтобы использовать ее в крупных масштабах. По-видимому, запасы дешевой энергии в конце концов будут исчерпаны. Будем надеяться, что это произойдет еще не скоро, однако энергетическая проблема непременно встанет в будущем.

При космических путешествиях поведение Солнца особенно важно. Земная атмосфера является прекрасной защитой от опасных форм солнечной радиации. Другими словами, мы эволюционировали от низших млекопитающих (и их предшественников) в условиях, когда опасная радиация отсутствовала. Если бы эволюция происходила при наличии сильного потока ультрафиолетового излучения на поверхности Земли, у нас появилась бы очень толстая кожа! Астронавты — обычные люди, и поэтому космический корабль для безопасности команды должен обладать достаточной защитой от высокоэнергичной солнечной радиации. Когда астронавты должны покинуть космический корабль — для того, чтобы исследовать Луну или выполнить монтаж оборудования,— астрономы на Земле особенно тщательно наблюдают за Солнцем. Они следят за внезапными взрывами, выбрасывающими в космическое пространство смертельно опасное излучение, которое задерживается защитным покрытием космического корабля или нашей атмосферой, но проникает через обычный скафандр. Более глубокое понимание физики Солнца и солнечного излучения существенно необходимо для успешных полетов человека в космос, а также для прогноза погоды и моделирования климата. Астрономы, подобно другим ученым, хотят узнать как можно больше. Но получение знаний ради самих знаний эгоистично, особенно если оно требует затраты общественных средств. Просто сидеть за телескопом и собирать информацию является бессмысленным занятием. Нужно, чтобы наблюдатель, пусть даже подсознательно, хотел помочь решению реальных задач. Здесь мы подходим к подлинной дилемме современного исследователя: для того чтобы суметь выполнить исследование, убедить ответственный комитет выделить общественные фонды, нужно найти такую небольшую задачу, которая может быть решена быстро. Современная научная работа обычно состоит из огромного ряда кажущихся незначительных исследований. Солнечная физика в этом отношении не является исключением. Но мы надеемся, что в конечном результате наша возможность открыть важные закономерности увеличится.

Многие проблемы еще остались нерешенными. Например, мы хотим выяснить более детально, как работает основной механизм генерации солнечной энергии. Это важно для понимания не только Солнца, но и звезд. Теоретические исследования могут дать ответ, в частности, на вопрос, долго ли сможет Солнце оставаться таким же, как сейчас. Изучение Солнца может также пролить свет на состав Вселенной.

Связь между Землей и Солнцем определяется не только влиянием Солнца на климат. Непрерывно проносится мимо Земли испускаемый Солнцем поток атомных частиц, называемый солнечным ветром. Этот поток, содержащий электрически заряженные частицы, вызывает, в частности, появление в полярных зонах Земли необыкновенно красивых полярных сияний. Исследование солнечного ветра очень важно для радиосвязи, так как электрически заряженные частицы солнечного ветра взаимодействуют со слоями нашей атмосферы, ответственными за отражение радиоволн. Изменение Солнцем структуры атмосферного слоя Земли может привести к исчезновению радиосвязи на длинных трассах. Наконец, изучение Солнца может пролить свет на ряд вопросов, испокон веку интересовавших мыслящих людей. Откуда взялась солнечная система? Когда она образовалась, из какого вещества она состоит? Теория и наблюдения совместными усилиями дают оценки возраста Солнца. Солнечное излучение содержит также важную информацию о химическом составе внешних слоев Солнца. В этих областях основные химические элементы все еще содержатся в такой же пропорции, как и вещество, из которого были образованы Солнце и молодые планеты. Химический состав этих планет резко изменился со времени их образования, особенно ближайших к Солнцу, планет потерявших большую часть легких элементов, когда-то в них содержавшихся. Как и из каких веществ образовалась Земля? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны перенести наше внимание от нашего земного «дома» к центру солнечной системы.