Текст книги "Астрономия. Популярные лекции"
Автор книги: Владимир Сурдин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 12 (всего у книги 16 страниц)
Трение в аккреционном диске производит замечательный эффект, благодаря которому мы и открыли существование черных дыр. Сама дыра абсолютно невидима, потому что не излучает (квантовое испарение – эффект Хокинга – у черных дыр звездной массы чрезвычайно слабо). Но когда черная дыра (или нейтронная звезда) оказывается в составе тесной двойной системы, второй компонент которой раздулся и начал терять свое вещество, трение во вращающемся с огромной скоростью аккреционном диске вокруг черной дыры приводит к разогреву газа до сотен тысяч градусов и испусканию мощного потока ультрафиолетового света и рентгеновских лучей. Первые же обзоры неба в рентгеновских лучах показали нам невероятно мощные источники излучения, связанные с такими системами.
Кроме того, разогрев приводит к расширению газа, часть которого выталкивается из диска. Но куда? Пробиться наружу сквозь диск трудно, а перпендикулярно его поверхности (т. е. параллельно оси вращения) довольно легко, диск сравнительно тонкий. Поэтому из такого аккреционного диска вдоль оси его вращения обычно бьют в пустоту два диаметрально противоположных фонтана – их называют джетами, или струями. В месте, где входящий поток ударяется об аккреционный диск, тоже наблюдается горячая точка. По скорости ее обращения можно довольно точно определить параметры обоих объектов – и звезды, и черной дыры.
С этим явлением связан интересный вопрос: от чего зависит угол раструба струй? Казалось бы, из самых примитивных соображений угол должен быть немалым, порядка радиана, а в действительности иногда он не превышает градуса. Что оказывает фокусирующее действие на эти тонкие струи, астрофизики пока не понимают. Придумано много разных моделей ускорения джетов – тепловые, магнитогидродинамические, но ни одна из них не может полностью объяснить явление.
Наконец, если звезда подлетает к черной дыре издалека, то она не просто деформируется, а вообще теряет связность: приливный эффект просто разрушает ее при сближении с черной дырой (рис. 9.5). Каждый пролет звезды рядом с черной дырой сопровождается срывом большого количества вещества с ее оболочки, и после того, как ее несколько раз таким образом «разденут», от звезды практически ничего не останется. По характерным вспышкам рентгеновского и гамма-излучения из тех областей, где подозревается наличие массивных черных дыр в ядрах галактик, мы понимаем, что это как раз происходят стадии захвата звезды, вещество которой размазывается в аккреционный диск и постепенно поглощается черной дырой.
Рис.9.5. Разрушение звезды, подлетевшей близко к черной дыре. Вещество бывшей звезды образует диск вокруг черной дыры. Рисунок.
Сквозь дырку в пространстве
С приливами связана еще и такая полуфантастическая история. Дело в том, что внутри горизонта событий черной дыры пространство-время настолько сильно деформируется, что это может приводить к возникновению пространственно-временных каналов. По-английски их называют wormhole, формальный перевод – «червоточина», но мы обычно говорим «кротовая нора». Несколько десятилетий назад появилась идея, что эти туннели пространства и времени могут связывать коротким путем две удаленные (в нормальном эвклидовом пространстве) точки. Например, между Солнцем и Вегой (если лететь по прямой в космическом пространстве) около 26 световых лет, но если рядом с Солнцем поместить одну черную дыру, а рядом с Вегой – другую, то между ними, может быть, получится канал, который сократит этот путь. Эта идея обыгрывается в романе Карла Сагана «Контакт», по которому снят очень хороший фильм, получивший, к сожалению, весьма непрофессиональный перевод в нашем прокате. Например, главная героиня, когда надо развернуть радиотелескоп, командует: «Right ascension… Declination…»; эти английские термины означают «прямое восхождение» и «склонение» – два угла в экваториальной системе небесных координат. А переводчик представил это как «подъем справа» и «отклонение». И подобных ляпов там немало. Уверен, вы будете переводить астрономические тексты лучше.
Рис.9.6. Двумерная схема червоточины в гиперпространстве: короткий туннель может соединять две разнесенные в обычном пространстве области Вселенной или даже две разные вселенные. Открыта математическим путем в 1916 г. Людвигом Фламмом как решение уравнения поля Эйнштейна.
Вообще говоря, идея образования червоточин в пространстве очень старая. Когда сто лет назад Эйнштейн только-только создал свою теорию относительности, был сделан расчет, показавший, что такие явления могут быть. Но использованием пространственно-временных туннелей для перемещения людей впервые заинтересовался Карл Саган, знаменитый астрофизик и популяризатор астрономии. Он захотел использовать этот эффект в фабуле романа, чтобы героиня куда-то перенеслась, и, чтобы не попасть впросак, озадачил этим вопросом самого известного ныне специалиста в области гравитации – Кипа Торна. Тот в ответ на просьбу Сагана сначала лишь улыбнулся, но затем стал делать расчеты – и увидел, что можно создать такую конфигурацию, чтобы пара черных дыр была связана таким странным туннелем. Кстати, очень советую его изумительную книжку «Черные дыры»: в ней очень много интересного не только про американскую физику, но и про нашу, отечественную, ведь Кип Торн в дни своей молодости провел много времени в Москве, в группе академика Я. Б. Зельдовича.
Однако не будем забывать о приливном эффекте. Если мы захотим нырнуть в одну дыру и вынырнуть из другой, то это может плохо кончиться: когда мы приблизимся к черной дыре, приливный эффект будет настолько силен, что нас растянет в спагетти. Но и саму червоточину приливный эффект делает неустойчивой, а гравитационная неустойчивость всегда пытается поломать любую конструкцию. Однако в последнее время возникла идея о том, что можно стабилизировать червоточину, если в природе существует пятая сила, которую называют «темной энергией». В космологии это сегодня одна из главных тем. По сути это антигравитация, расталкивающая массивные объекты, и она может стабилизировать пространственно-временной туннель, сделать его устойчивым – и тогда пусть не человек, а для начала хотя бы какой-нибудь межзвездный робот сможет через него пройти.
Приливные явления в галактиках
В масштабах галактик приливы играют гораздо большую роль хотя бы потому, что галактики – объекты крайне малоплотные. Они представляют собой скопище звезд и газа между ними с концентрацией в пару атомов на кубический сантиметр, по сути – «видимое ничто». Если посмотреть на окрестности галактики M31, называемой Туманностью Андромеды (рис. 9.7), и обратить внимание на форму ее галактик-спутников, то можно даже невооруженным глазом увидеть последствия приливного эффекта: одна из них (NGC 205) сильно деформировалась, с ее внешней оболочки срываются слабосвязанные звезды, поток которых утекает в сторону, к огромной махине M31: так она ее «раздевает». А другая мелкая галактика (M32) уже «раздета»: мои расчеты показывают, что раньше она была далеко от Туманности Андромеды, двигалась вокруг нее по орбите и – главное – была значительно крупнее. Но сейчас она приближается к M31 по спирали, внешние слои с нее уже сорвало, но ядро еще сопротивляется. Правда, осталось ему недолго: через несколько миллиардов лет оно просто утонет в ядре большой галактики, перестанет существовать как отдельная звездная система – и не будет маленького спутника.
Рис.9.7. Туманность Андромеды, ближайшая к нам крупная галактика, имеет несколько маленьких галактик-спутников.
Рис.9.8. Светлые кольца вокруг галактики NGC 5907 – это не дефект фотографии, а поток звезд, в который превратился один из спутников этой галактики. Поначалу это было небольшое самостоятельное звездное скопление, но приливом его вытянуло вдоль орбиты и размазало по ней.
Иногда, если галактика расположена к нам ребром и ее диск не мешает нам обозревать окрестности, можно разглядеть интересные вещи: «размазывание» мини-галактики в узкую полосу вдоль орбиты вследствие приливного разрушения (рис. 9.8). Отдельные звезды и немного газа при этом продолжают кружиться, но скоро размажутся окончательно, и орбита перестанет быть видимой. Вот насколько серьезное влияние оказывают массивные галактики на своих малых соседей.
Рис.9.9. Взаимодействующие галактики NGC 4676, или «Мышки». Фото космического телескопа «Хаббл», Advanced Camera for Surveys (NASA).
Бывают также встречи типа «кита со слоном», когда непонятно, кто кого переборет. Если две одинаковые галактики встретились, то обе очень сильно деформируются. Любителям астрономии известна такая пара – их называют «Мышки», потому что у них торчат длинные хвостики, вытянутые приливным эффектом (рис. 9.9). Что ожидает их в дальнейшем? Скорее всего, они пару раз покувыркаются друг вокруг друга и затем сольются в единый конгломерат: вместо двух просто больших галактик будет одна очень большая. Вероятно, это судьба почти всех пар и групп тесных галактик. Наша галактика Млечный Путь – не исключение: со скоростью примерно 110 км/с она несется навстречу Туманности Андромеды. Вместе они являются двойной системой и обращаются вокруг общего центра масс, понемногу сближаясь. Не пугайтесь, до встречи еще далеко. Но примерно через 4 млрд лет Туманность Андромеды подойдет очень близко к нашей галактике, они на скорости соприкоснутся, немного разойдутся, через миллиард лет опять сблизятся и чиркнут друг по другу, а на третьей встрече сольются в одну большую галактику. Как она будет выглядеть, никто не знает, но в том, что это произойдет, никаких сомнений уже нет.
Рис.9.10. Так, верояно, будет выглядеть с Земли слияние нашей галактики с Туманностью Андромеды. Коллаж: NASA; ESA; Z. Levay and R. van der Marel, STScI; T. Hallas; and A. Mellinger.
Я советую для дальнейшего изучения литературу по теме приливов. Лучшую, пожалуй, книжку написал в конце XIX в. замечательный геофизик Джордж Дарвин, сын всем известного Чарльза Дарвина, у которого и дед, и отец были великими учеными, а сын, внук и правнук тоже стали весьма известными в науке людьми. Она удивительна тем, что формул там нет, но «на пальцах» все замечательно и очень колоритно рассказано. Я ее с удовольствием прочитал и потом, работая в этой области, сам написал две брошюрки: в них уже есть формулы и другие подробности, о которых в этой лекции не говорилось. А современное состояние небесной механики описано в фундаментальной книге Мюррея и Дермотта «Динамика Солнечной системы», по которой учатся специалисты.
Негравитационные возмущения и их последствия
До сих пор мы говорили только о гравитации, а теперь вспомним, что кроме гравитации еще есть и электромагнитное излучение. И его кванты тоже имеют возможность давить на тела, изменяя их импульс.
Эффект Пойнтинга —Робертсона
Самый известный эффект влияния излучения на движение небесных тел описал английский физик Дж. Г. Пойнтинг (1903) и уточнил американский физик Г. П. Робертсон (1937). Пусть некий астероид летает вокруг Солнца: гравитация действует строго по линии, соединяющей их центры масс. Если бы он стоял на месте, то сила давления на него солнечного излучения тоже была бы направлена вдоль этой линии. Но тело движется по орбите, и возникает эффект аберрации: грубо говоря, в результате векторного сложения собственной скорости астероида и скорости света происходит поворот вектора силы лучевого давления против направления движения (рис. 9.11). Когда мы идем под падающими вертикально каплями дождя, наша передняя сторона мокнет сильнее, чем тыльная, потому что мы «набегаем» на дождь и в нашей системе отсчета вектор скорости дождевых капель направлен под углом к вертикали. Аналогично набегающая сторона астероида освещается немного лучше, чем задняя.
Рис.9.11. Эффект Пойнтинга—Робертсона: торможение тела, движущегося в поле излучения.
Компонент силы светового давления, направленный вдоль линии центров, противодействует гравитационному влиянию Солнца и для мелких частиц (< 1 мкм) даже превосходит его, выметая эти частицы из Солнечной системы. А перпендикулярный ему компонент тормозит движение тела. Он крайне мал: скорость светового потока – 300 тыс. км/с, а орбитальная скорость – порядка 30 км/с (на уровне земной орбиты), т. е. вектор светового давления повернут на 0,0001 радиана. Соответственно, тормозящей оказывается одна десятитысячная доля светового давления. Но, как говорят, капля камень точит: если постоянно тянуть объект назад, пусть даже с маленькой силой, в конце концов он затормозится. Так вот, оказывается, что на мелкие частицы космической пыли (размером менее 0,1 мм) этот эффект влияет настолько сильно, что с расстояния 3 астрономические единицы (т. е. из Главного пояса астероидов) за 10 тысяч лет они по спирали выпадают на Солнце. Почему этот эффект влияет именно на мелкие частицы? Это очень просто: сила лучевого давления пропорциональна площади сечения тела, т. е. квадрату радиуса, а масса – кубу радиуса. Поэтому ускорение – отношение силы к массе – получается обратно пропорциональным размеру частицы. За 100 тысяч лет вообще вся Солнечная система очистилась бы от пыли, если бы пыль не образовывалась заново: крупные астероиды постоянно сталкиваются друг с другом и рождают тучи новой пыли, которая опять начинает падать на Солнце.
Эффект Ярковского
Есть и другой эффект силового действия излучения, о котором до конца XX века никто не думал. Однако в конце XIX века этот эффект уже был предсказан и даже описан в литературе. Сделал это московский инженер и ученый-любитель Иван Осипович Ярковский, он разослал свою брошюру по всем институтам; я нашел ее в библиотеке ГАИШ МГУ.
Ярковский развивал популярную тогда эфирную теорию гравитации, которая впоследствии не подтвердилась. Но, как инженер, размышляя о движении планет сквозь пространство, заполненное гипотетической средой – эфиром, он не мог представить, что планеты не испытывают при этом сопротивления. Поэтому он искал компенсирующий эффект и нашел его в рамках взаимодействия планеты с солнечным излучением.
Рис.9.12. Термомеханический эффект Ярковского. Направление реактивной силы зависит от ориентации оси и направления суточного вращения небесного тела. Слева – оригинальный рисунок Ярковского, 1888 г.
Когда планета летит по орбите, Солнце ее освещает и нагревает дневную полусферу. Если планета имеет собственное суточное вращение, то нагретая днем поверхность переносится на вечернюю, а потом и на ночную сторону. Значит, оттуда уходят потоки инфракрасного излучения, и в результате отдача постоянно толкает планету. Этот эффект на много порядков сильнее эффекта Пойнтинга—Робертсона: почти 50 % импульса, принесенного на планету квантами света, дают вклад в реактивный эффект. Это оказывает колоссальное силовое влияние на движение небольших астероидов и искусственных спутников Земли. Но долгое время на это не обращали внимания (и этому парадоксу я не могу найти объяснения), пока наконец ошибки в расчетном движении спутников не превысили допустимую величину. Только тогда стали искать причину – и разобрались, что действует эффект радиационной отдачи, а потом выяснили, что Ярковский предсказал этот эффект сто лет назад. Вот как важно читать старые книжки: люди прошлых веков были не глупее нас.
Рис.9.13. Автоматическая станция серии «Пионер». Рисунок: NASA.
Есть еще интересная история, связанная с эффектом отдачи. Два первых космических аппарата, которые ушли за пределы Солнечной системы, – «Пионер-10» и «Пионер-11» – как-то странно отклонялись от траектории, при расчете которой учитывалась только гравитация: их иногда что-то притормаживало. Этот парадокс «Пионеров» четверть века «висел» перед небесными механиками и требовал объяснения. Чтобы его разрешить, пытались даже модернизировать теорию гравитации, но безуспешно: запуск последующих зондов не подтвердил предположений.
Наконец выпускник физфака МГУ В. Г. Турышев, ныне сотрудник американской лаборатории JPL, догадался о причине явления, и его версия стала общепризнанной. У зондов «Пионер» в качестве источников электричества используются радиоизотопные термоэлектрические генераторы. В них распадается плутоний 238Pu, в этом процессе выделяется тепло, поэтому генераторы всегда горячие, их излучение падает на тыльную сторону рефлектора радиоантенны и отражается от него. Получается своеобразный фотонный двигатель. А поскольку антенна постоянно направлена на Землю, т. е. на центр Солнечной системы, реактивная сила притормаживает полет аппарата.
Влияние атмосферы
И наконец о последнем негравитационном возмущении. Космические тела летают не в абсолютном вакууме, а в среде, хотя и очень разреженной, так что обычное газодинамическое сопротивление тоже играет роль. Наша МКС издали кажется «парусником», летящим по космическим волнам (рис. 9.14), но на самом деле солнечные панели станции – вовсе не паруса, а тормоза: станцию они всегда тормозят об атмосферу Земли, и, чтобы она не упала, надо периодически включать реактивные двигатели и восстанавливать высоту орбиты.
Рис.9.14. Международная космическая станция похожа на парусный корабль. Но ее «паруса» не разгоняют станцию, а тормозят.
Рис.9.15. Искусственный спутник GOCE, работал в 2009—2013 гг. Фотоколлаж ESA
То же самое со спутниками, запускаемыми на низкую орбиту. Несколько лет назад для измерения гравитационного поля Земли на очень малую высоту (220 км) был запущен спутник GOCE. Атмосфера там вполне ощутимой плотности, и необходимо было постоянно держать двигатель включенным, а панели солнечных батарей развернуть вдоль направления полета, иначе они очень сильно тормозили бы спутник и он быстро упал бы. Четыре года он летал – и все-таки упал, а случилось это в 2013 г. Почему именно в этом году? Для астрономов это не тайна: это был год максимума солнечной активности. А когда Солнце бьет по Земле ультрафиолетом и рентгеном, наша атмосфера «вспухает» и особенно интенсивно тормозит низколетящие спутники.
Рис.9.16. Количество объектов размером более 10 см на околоземных орбитах высотой 200–2000 км по настоящее время и в будущем при реализации двух сценариев космической активности человечества.
Однако большинство спутников на землю не падают и, перестав работать, остаются на орбите. Иногда они сталкиваются друг с другом и с останками ракет и распадаются на куски разных размеров. Сейчас в околоземном пространстве на орбитах высотой до 2000 км кружится около 12 тысяч осколков размером от дециметра и крупнее; за ними всеми следят, чтобы какой-нибудь из них не налетел на действующий космический аппарат. Китайцы пытались сбить свой спутник с орбиты, но тем самым только добавили мусора в космосе. Если частота запусков космических аппаратов сохранится на сегодняшнем уровне, количество обломков в многолетнем тренде будет увеличиваться. Хотя каждые 11 лет (период колебаний активности Солнца) будет наблюдаться небольшой спад: те спутники, что летают низко, будут падать на Землю.
10. Солнце
Самая детально изученная звезда – это наше Солнце. Оно весьма полезно для нас: без него не было бы жизни на Земле. Из предыдущей лекции мы знаем, что оно очень большое: по диаметру в 10 раз крупнее самой большой планеты нашей системы – Юпитера – и почти в 110 раз крупнее Земли. А по массе Солнце с Юпитером различаются почти в 103 = 1000 раз, поскольку их плотность примерно одинакова, около 1,5 г/см3 – это чуть больше, чем у морской воды, т. е. привычная для нас величина. Но надо понимать, что это среднее значение по всему объему: на поверхности Солнца плотность газа намного меньше, а к центру она нарастает так, что становится в 20 раз больше, чем у железа.
Как смотреть на Солнце
Мы ощущаем Солнце благодаря его излучению. А какова его полная мощность? Если поместить Солнце в точку фокуса гигантского космического рефлектора и тем самым сконцентрировать всю его световую мощь на нашей планете (рис. 10.1), то через четыре минуты все океаны не просто закипят – они полностью улетучатся в космическое пространство. Представьте: всего четыре минуты – и нет больше воды на Земле: вот что такое солнечное излучение. А через 10 суток испарился бы весь земной шар.
К счастью, на нас попадает не всё солнечное излучение, а его микроскопическая доля, поэтому Земля и жизнь на ней не сильно от него страдают. Но учтите: прямой солнечный свет очень опасен для зрения. Конечно, можно на мгновение глянуть – и сразу же отвести взгляд. Но лучше этого не делать. Даже если вы собираетесь наблюдать за солнечным затмением, то смотреть на него длительно без темных очков нельзя. И очки нужны не пляжные, а специальные, с очень плотной светозащитной пленкой (рис. 10.2), которая примерно в тысячу раз ослабляет световой поток: в таком случае сетчатка ваших глаз не пострадает от наблюдения Солнца.
Рис.10.1. Полная мощность излучения Солнца (4 · 1026 Вт), целиком направленная на Землю, может быстро уничтожить ее.
А если вы решили наблюдать Солнце в телескоп, то запомните, что дело это крайне опасное. Телескоп собирает свет огромным объективом и весь его направляет в ваш глаз. Астрономы шутят, что на Солнце в телескоп можно посмотреть лишь дважды в жизни: один раз – правым глазом, а второй раз – левым. Чтобы не рисковать зрением, сделали специальный окуляр с зеркальцем (рис. 10.3), которое отбрасывает 99,99 % света вбок, отводя его в ту часть обсерватории, где людей не должно быть. А в глаз попадает совсем чуть-чуть света, и тогда можно безопасно смотреть на солнечную поверхность.
Рис. 10.2. Безопасное наблюдение Солнца сквозь светозащитные очки.
Рис. 10.3. Наблюдение Солнца на рефракторе с солнечным окуляром.
Рис. 10.4. В обсерватории Волгоградского планетария. Автор (спиной к зрителю) снят в том самом пальто, еще не прожженном, поскольку объектив искателя (его тень – на спине) в тот раз был закрыт.
Но если вам когда-нибудь придется подсесть к окуляру большого телескопа, учтите, что это не совсем безопасно: обратите внимание, что параллельно его оси имеется маленький телескопчик – своеобразный оптический прицел, называемый гидом или искателем, у которого свой окуляр. В школьные годы в такой телескоп я наблюдал Солнце в проекции на белом экране (рис. 10.4) – это очень удобный и безопасный способ – и однажды забыл закрыть объектив искателя. Внезапно, почувствовав запах горелого, я догадался и моментально отпрыгнул от телескопа. А потом долго ходил в пальто с прожженной на спине дырой. Так что даже небольшой телескоп, сфокусировав на вашей спине лучи Солнца, может сильно вам навредить.
Рис. 10.5. Схема принципа камеры-обскуры для наблюдения солнечного затмения.
Проще всего наблюдать Солнце вообще без телескопа. Берете маленький листок бумаги или картона, протыкаете в нем дырочку иголкой – и получившаяся камера-обскура дает вам геометрически точный портрет Солнца. Люди таким способом наблюдают затмение, не рискуя.
Если у вас есть небольшая подзорная труба без специальных светофильтров, то можно, удобно расположив у окуляра экран, спроецировать на него изображение Солнца (рис. 10.6). По мере того как Луна «наползает» на Солнце, с экрана вы фотографируете фазы затмения безопасно для глаз.
Рис. 10.6. Наблюдение солнечного затмения 20 марта 2015 г. на крыше ГАИШ МГУ с помощью небольшой зрительной трубы и проекционного экрана. Фото В. Г. Сурдина.
Что видно на Солнце
Глядя на нашу родную звезду с Земли, мы видим хорошо оформленный круг фотосферы, можем измерить его диаметр. Присмотревшись, замечаем любопытный эффект потемнения к краю: в центре солнечный диск ярче, чем по краям. Это легко объяснимо: в середине наш взгляд «протыкает» солнечную атмосферу перпендикулярно и уходит вглубь, в горячие слои, вплоть до предела прозрачности, в то время как на видимом крае (его называют лимбом) луч зрения проходит только сквозь верхние слои атмосферы, а они более холодные и поэтому менее яркие.
Рис. 10.7. Фото солнечных пятен (1998 г.). Прошло всего пять дней – и темные пятна на поверхности Солнца заметно сдвинулись. (Источник – Big Bear Solar Observatory.)
Поверхность Солнца не столь однородна, как кажется на первый взгляд: на светлом фоне мы замечаем какие-то пятнышки. Причем если день ото дня мы фотографируем или зарисовываем Солнце, то отметим перемещение этих пятен (рис. 10.7). Делаем вывод, что, во-первых, Солнце вращается, а во-вторых, на Солнце не все области имеют одинаковую температуру: если обычная температура – около 6000 K, то пятна явно холоднее – до 4000 K, как показывают измерения. Вроде бы разница невелика, но вспомните, что лучеиспускательная способность пропорциональна 4-й степени температуры. Кроме того, спектр смещается из области видимого света в инфракрасный диапазон, а инфракрасные лучи хуже проходят сквозь земную атмосферу и хуже фиксируются фотоприемниками, поэтому пятна выглядят такими черными.
Рис. 10.8. Размеры земного шара в сравнении с размерами солнечных пятен.
Размер солнечных пятен невероятен. Бывают пятна в несколько раз больше земного шара (рис.10.8). Пятна окружены яркой поверхностью фотосферы, где постоянно всплывают горячие потоки газа. На их фоне явно выделяются более холодные пятна, причем с градацией яркости (рис. 10.9): астрономы говорят, что у солнечного пятна есть «тень» (амбра) и «полутень» (пенамбра). Пятно стабильно, потому что мощное магнитное поле препятствует горизонтальному перемешиванию в нем газа. Частицы горячего газа ионизованы, по существу это плазма, которая в магнитном поле движется своеобразно: вдоль силовых линий может, а поперек – нет, поэтому циркуляция вещества в поперечных направлениях заторможена.
Рис. 10.9. Темные пятна на Солнце крупным планом. Черная сердцевина пятна – тень; окружающая его область с радиальной структурой – полутень. Вокруг пятна – невозмущенная поверхность Солнца, разбитая на мелкие гранулы, указывающие на конвективное движение газа. Размер типичной гранулы – около 1000 км.
Когда мы изучаем фотосферу Солнца с сильным увеличением, то и помимо пятен обнаруживаем много любопытного. Сейчас появилось новое поколение телескопов, в том числе и на спутниках, летающих за пределами атмосферы Земли, так что теперь мы можем наблюдать структуру поверхности очень детально. Оказывается, что даже спокойная, невозмущенная фотосфера неоднородна, она вся состоит как бы из зернышек, гранул (рис. 10.10). Размер этих гранул – порядка угловой секунды, что соответствует примерно 1000 км. Это гигантские потоки плазмы, которые с околозвуковой скоростью выныривают из недр Солнца, остывают и уходят вниз. А в пятнах происходит «водопад»: охлаждаясь, вещество вдоль силовых магнитных линий устремляется вниз, но снизу поток тепла подходит не такой интенсивный. Поэтому вещество охлаждается всё сильнее и сильнее и по контрасту с яркой поверхностью становится для телескопа темным, практически черным.
Рис. 10.10. Слева – внутреннее строение Солнца и схема переноса энергии: фотоны, рождающиеся в ядре, петляя по очень запутанной траектории во внутренней части, постепенно выбираются наружу. Справа – конвекционные ячейки.
Как работает Солнце
Внутреннее строение Солнца мы себе представляем так: есть центральная часть, или ядро, в котором температура выше 5 млн градусов, а в самом его центре – примерно 15 млн. Это источник энергии, там идут термоядерные реакции, а выделяющаяся при этом энергия переносится наружу. В звездах эффективно работают два механизма переноса.
Рис. 10.11. Формирование конвективных ячеек Бенара.
Из внутренней, высокотемпературной части перенос энергии осуществляется в основном квантами излучения, фотонами. Вещество лежит слоями, практически не перемешиваясь, а кванты из ядра сквозь него диффундируют к более холодной поверхности. Квантов там много, плотность их отнюдь не маленькая, и продвигаются они очень медленно. Дело в том, что плазма настолько непрозрачна для света, что родившемуся в ядре электромагнитному кванту, который движется со скоростью света, чтобы выбраться на поверхность и улететь в открытое пространство, требуется порядка ста тысяч лет.
Рис. 10.12. Схема конвекционных процессов на Солнце.
На какой-то глубине плотность и температура квантов уменьшаются настолько, что они становятся не в состоянии обеспечить перенос всей энергии, которая рождается в ядре. И тут в дело переноса энергии вступает уже конвекция, перемешивание вещества: горячие потоки газа всплывают, охлаждаются, становятся менее теплыми и тонут. Как в кастрюльке: если подогреваем воду на плитке, она бурлит.
В природе есть и третий механизм переноса энергии – теплопроводность: в твердом теле молекулы колеблются и толкают друг друга, происходит кинетическая передача тепла. Этот процесс внутри Солнца тоже имеет место, но роли практически не играет. Однако есть звезды, в которых теплопроводность является основным способом переноса: это белые карлики.
Рис. 10.13. Яркие точки в фотосфере Солнца возникают в результате локального взаимодействия плазмы с магнитным полем. Фото: Swedish 1-m Solar Telescope, Institute for Solar Physics, Sweden.
Современным телескопам на космических аппаратах не мешает атмосфера Земли, они намного детальнее показывают нам структуру поверхности Солнца, и иногда мы видим странные вещи: яркие точки на границах отдельных конвективных ячеек (рис. 10.13). Космические снимки получаются очень качественными, с высоким угловым разрешением. Раньше, всего лишь лет десять тому назад, в наземные телескопы мы не могли заметить это явление. Теперь же мы понимаем, что бурление газа выносит не только горячие слои вещества, но вместе с ними и магнитное поле, «вмороженное» в потоки плазмы. В соседних ячейках с обеих сторон выходящие на поверхность потоки несут свои магнитные поля друг к другу. Встречаются два потока газа, на линии их соприкосновения силовые магнитные линии уплотняются, и плотность энергии магнитного поля, пропорциональная квадрату его напряженности, нарастает. На изображениях, полученных при моделировании, и на прямых снимках Солнца видно, что на границе конвективных ячеек температура выше. Этот локальный разогрев происходит потому, что часть магнитной энергии переходит в тепловую энергию газа. На этом принципе основаны многие наземные приборы. Так, в некоторых термоядерных реакторах, которые сейчас конструируют, способом нагрева плазменного потока служит его «обжимание» магнитным полем, так называемый пинч-эффект.
Хотя космические телескопы, например американский спутник «Обсерватория солнечной динамики» (Solar Dynamics Observatory), действительно показывают нам намного более детальные изображения, но не это главное. Важнее то, что с помощью заатмосферных обсерваторий мы регистрируем гораздо больший спектральный диапазон: можно получить отдельно рентгеновский, ультрафиолетовый, инфракрасный портреты Солнца. Рассматривая последовательную серию этих фотографий, мы прежде всего замечаем, что площадь, занятая на диске Солнца пятнами, их количество и плотность меняются. Иногда их нет совсем или мало, а иногда их много и они большого размера. Это регулярное явление, открытое еще в XVII в., называют солнечной активностью, по сути это и есть активность процессов во внешнем слое Солнца, а пятна – ее индикатор. Активность Солнца проявляется не только зримо, но и в его радиоизлучении, и в корпускулярном излучении, и в рентгеновском, которые тоже меняются год от года.
