Мой маленький желтый карлик: как устроена единственная звезда в нашей системе
Солнце — одна из 400 млрд звезд в галактике Млечный путь, и самая близкая к нашей планете. Благодаря Солнцу сформировалась Земля, именно из-за солнечной активности на нашей планете происходят многие естественные процессы, без которых не было бы жизни. «Хайтек» разобрался, как формировалась самая важная для землян звезда, что с ней происходит сейчас и какое будущее ждет человечество.
Глава 1. Формирование
Считается, что Солнце сформировалось около 4,5 млрд лет назад благодаря относительно быстрому сжатию под силами гравитации облака молекулярного водорода. Существует несколько теорий возникновения Солнечной системы, приверженцы самой распространенной гипотезы считают, что эта область Млечного пути начала формироваться после взрыва одной или нескольких сверхновых.
Эта теория основана на том, что в первичном веществе Солнечной системы содержится аномальное количество золота и урана. Согласно многим математическим моделям, их должно быть на порядок меньше, поэтому ученые развивают теорию эндотермических реакций из-за взрыва сверхновой.
В последние миллиарды лет Солнце находится во внутреннем крае рукава Ориона Млечного пути — между рукавом Персея и рукавом Стрельца, в так называемом Местном межзвездном облаке — области повышенной плотности, расположенной, в свою очередь, в имеющем меньшую плотность Местном пузыре — зоне рассеянного высокотемпературного межзвездного газа.
После постепенного формирования Солнца из оставшегося облака молекулярного газа под воздействием гравитации начали появляться и другие объекты Солнечной системы — каменные карлики недалеко от звезды и газовые гиганты на окраине образования. На Солнце приходится 99,8% всей массы Солнечной системы, при этом оно больше и ярче, чем 85% звезд во Вселенной. Оставшиеся 0,2% массы Солнечной системы делят все остальные планеты, спутники, астероиды и космическая пыль, хотя большая часть из этой массы досталась Юпитеру.
Звезды такого типа, как Солнце, в среднем существуют около 10 млрд лет — то есть сейчас оно находится на середине своего жизненного пути.
Солнце в настоящий момент состоит на 70% из водорода, на 28% из гелия, оставшиеся 2% приходятся на различные металлы. Этот показатель будет постоянно меняться со временем, поскольку звезда получает энергию благодаря термоядерным реакциям, превращая водород в гелий в его ядре. Каждую секунду в ядре Солнца около 4 млн т вещества превращается в лучистую энергию, в результате чего генерируются солнечное излучение и поток солнечных нейтрино.
По спектральной классификации Солнце относится к типу G2V (желтый карлик). Средняя плотность Солнца составляет 1,4 г/см³ — в 1,4 раза больше, чем у воды. Температура — очень разная, зависит от слоя звезды — газовая поверхность нагревается не более чем до 5 тыс. градусов Цельсия, тогда как внешняя поверхность звезды — солнечная корона — может нагреться до 2 млн градусов Цельсия. Пока это одна из главных загадок в структуре Солнца, «Хайтек» подробно рассказывал об этом здесь.
Такое строение Солнца также сказывается и на разной скорости вращения его слоев. Поскольку Солнце не такое твердое тело, как Земля, его части вращаются с разной скоростью — на экваторе поверхность вращается один раз в 25,4 дней, а в районе полюсов — раз в 36 дней.
Расстояние от Земли до Солнца составляет в среднем 149,6 млн км — одна астрономическая единица. При этом солнце находится на расстоянии в 26 тыс. световых лет от центра Млечного пути. Один оборот вокруг центра галактики Солнечная система делает раз в 250 млн лет. В среднем орбитальная скорость Солнца составляет 217 км/час — это значит, что один световой год она проходит за 1,4 тыс. земных, а одну астрономическую единицу — за восемь земных суток.
Глава 2. Воздействие Солнца на Землю
Жизнь на Земле появилась под огромным влиянием Солнца. Излучение ближайшей к нам звезды — основной источник энергии для огромного количества процессов, происходящих на нашей планете. Свет необходим для начальных стадий фотосинтеза, в результате чего выделяется кислород для появления дальнейшей жизни, солнечное тепло определяет климат и температуру на Земле, именно солнечная энергия способствовала появлению нефти и других видов полезных ископаемых.
Земная поверхность и вся тропосфера — нижняя часть атмосферы, где образуются облака — получает энергию непосредственно от Солнца. До поверхности Земли доходят только 40% солнечного излучения, остальные 60% остаются в атмосфере или отражаются обратно в космос. При этом в последние десятилетия земная атмосфера начинает поглощать больше солнечного излучения из-за парникового эффекта.
Благодаря солнечному свету на Земле также происходят дожди, туманы, снегопады, ураганы, даже меняются течения, в том числе океанические, формируются Эль-Ниньо. Кроме того, под действием солнечного света образуются облака, из которых идут дожди, а также на море появляются волны, приводящие к эрозии пород.
Существует наука гелиобиология, изучающая воздействие активности Солнца на человека. Чаще всего ученые анализируют воздействие солнечного ветра на магнитосферу Земли — именно ее реакция сказывается сильнее всего на самочувствии человека, на работе многих электрических приборов.
Другой объект изучения гелиобиологов — солнечные вспышки, когда звезда выбрасывает потоки высокоэнергетических заряженных частиц, долетающие до Земли за несколько часов. Несмотря на то, что Земля в основном защищена от них магнитосферой, вспышки сильно влияют на орбитальные спутники.
Кроме того, солнечное излучение радиоактивно, оно негативно влияет на развитие будущих космических миссий человечества. Люди давно изучают возможности создания колоний на близлежащих планетах, однако Солнце, несмотря на его доминирующее положение в развитии человечества, одновременно и тормозит выход людей в космос. «Хайтек» подробно рассказывал, как люди занимаются изучением Солнца и отправляют к нему спутники.
Глава 3. Будущее
К большому сожалению, будущее Земли пока является не самым светлым. Звезда такой массы, как Солнце, должна существовать на главной последовательности в общей сложности примерно 10 млрд лет. При этом уже сейчас Солнце просуществовало 4,5 млрд лет — около половины от своей возможной жизни.
По мере того, как Солнце постепенно расходует запасы водорода, оно становится все горячее, а его светимость медленно возрастает. Через 1,1 млрд лет — в возрасте 5,5 млрд лет — яркость Солнца увеличится на 11%. Тогда звезда начнет длительный переход в другой класс — красного гиганта, а жизнь на Земле полностью закончится из-за кардинального повышения температуры и парникового эффекта, связанного с увеличением солнечной активности. При этом в таком возрасте Солнце достигнет своей максимальной температуры и в будущем станет только остывать.
Недавно китайские ученые предложили несколько вариантов развития Земли и возможностей изменения орбиты, чтобы нашу планету не постигла судьба сухой и горячей Венеры.
К возрасту примерно в 8 млрд лет — через 3,5 млрд лет от настоящего времени — яркость Солнца увеличится на 40%. При этом по мере того, как водородное топливо в ядре Солнца будет сокращаться и выгорать, его внешняя оболочка начнет расширяться, а ядро, наоборот, сжиматься и нагреваться. К этому времени радиус Солнца увеличится настолько, что поверхность звезды будет находиться примерно в районе нынешней Венеры.
Постепенно Солнце начнет медленнее крутиться, и даже если жителям Земли к тому моменту удастся избежать вымирания, планета постепенно начнет сходить с орбиты и приближаться к звезде. Кроме того, мощнейший солнечный ветер, связанный со снижением производства энергии из водорода и уплотнения гелия, должен уничтожить всю атмосферу Земли.
В возрасте 10,9 млрд лет водород в ядре закончится, а температура увеличится настолько, что запустится процесс горения водорода в окружающей его оболочке. Это приведет к тому, что Солнце перейдет в другую классификацию и станет красным гигантом. В этой фазе радиус солнца увеличится уже в 256 раз по сравнению с современным, а внешние слои достигнут орбиты нынешней Земли.
Красный гигант — самая короткая фаза жизни Солнца. Спустя 10 млн лет в ядре температура достигнет 100 млн градусов Цельсия, произойдет гелиевая вспышка, благодаря которой начнется термоядерная реакция синтеза углерода и кислорода из гелия. В результате появления нового источника энергии размер Солнца резко уменьшится — на период в 100 млн лет, пока звезда не уничтожит весь гелий. После этого она снова станет красным гигантом, а яркость увеличится уже в 5,2 тыс. раз. В таком состоянии Солнце просуществует не более 20 млн лет, после чего внешняя оболочка звезды оторвется от ядра, и от нее останется только белый карлик, сравнимый по размеру с Землей. Ученые считают, что у звезды не хватит энергии, чтобы закончить свое существование взрывом сверхновой или трансформацией в черную дыру.
Появившийся в результате смерти Солнца белый карлик будет постепенно угасать в течение миллиардов лет. Такой жизненный цикл считается типичным для звезд комплекции и состава Солнца, поэтому крайне маловероятно, что солнечное развитие пойдет по другому пути. Человечество, если, конечно, нам не удастся основать внеземные колонии или сбежать в соседние галактики, вряд ли застанет столь бесславный конец нашей главной звезды — звезды по имени Солнце.
Источник
Что такое Солнце: красный гигант или желтый карлик?
Возможно, вы уже задавались вопросами о природе самой яркой звезды в солнечной системе? В будущем Солнце – это красный гигант, и желтый карлик в настоящее время, то есть звезда класса GV, на которой происходит реакция термоядерного синтеза или выгорание водорода в ядре, благодаря чему образуется большое количество тепловой энергии. По оценкам ученых, топлива в ядре хватит на многие века. В среднем, срок существования желтых карликов составляет 10 миллиардов лет.
Когда запас водорода в ядре иссякнет, Солнце превратится в красный гигант, и желтый карлик окончательно эволюционирует в другое астрономическое тело. Согласно предварительным прогнозам, масса звезды, освещающей Солнечную систему, увеличится в 256 раз. Из-за разряженной поверхности и значительного снижения температуры яркость Солнца значительно уменьшится, равно как и светимость. В результате изменения размеров образовавшегося красного гиганта некоторые планеты будут поглощены, например, Меркурий. Относительно Земли ученые расходятся во мнениях – многие астрономы придерживаются теории, согласно которой наша планета будет вытолкнута на другую орбиту, однако это все равно убьет всю жизнь на поверхности. Дальнейшее существование Земли возможно исключительно в качестве астрономического тела.
Итак, Солнце является желтым карликом или красным гигантом в будущем, когда произойдет выгорание водорода в его ядре. Но это случится очень нескоро, а пока вы можете понаблюдать за различными явлениями, происходящими на поверхности главной звезды Солнечной системы! В интернет-магазине «Четыре глаза» представлена вся необходимая оптика, которая позволяет почувствовать себя настоящим астрономом, изучающим тайны самых дальних уголков Вселенной!
В какой телескоп можно наблюдать Солнце? В любой, но он должен обязательно иметь защиту от излучения – специальный солнечный фильтр. Фильтры иногда включают в комплект поставки, также их можно приобрести отдельно в этом разделе. Существуют и специальные солнечные телескопы, такие производит, например, компания CORONADO, – они позволяют наблюдать не только солнечные пятна, но и протуберанцы.
Источник изображения: NASA
4glaza.ru
Июль 2020
Статья обновлена в апреле 2021 года.
Использование материала полностью для общедоступной публикации на носителях информации и любых форматов запрещено. Разрешено упоминание статьи с активной ссылкой на сайт www.4glaza.ru.
Производитель оставляет за собой право вносить любые изменения в стоимость, модельный ряд и технические характеристики или прекращать производство изделия без предварительного уведомления.
Другие обзоры и статьи о телескопах и астрономии:
Обзоры оптической техники и аксессуаров:
Статьи о телескопах. Как выбрать, настроить и провести первые наблюдения:
Все об основах астрономии и «космических» объектах:
Источник
Желтый карлик — Солнце
Желтые карлики — это звезды главной последовательности массой от 0,8 до 1,2 Мс (масс Солнца).
Температура фотосферы (поверхностного слоя) звезд этого класса находится в диапазоне 5000-6000 градусов Кельвина в зависимости от массы и возраста.
Солнце является типичным желтым карликом. Так оно нами воспринимается на Земле. На самом деле, оно ослепительно белое, как излучение электросварки — об этом свидетельствовал советский космонавт Алексей Леонов, первым в истории космонавтики вышедший в открытый космос. Он сначала не задвинул солнцезащитную пленку на скафандр и на мгновение был ослеплен белым лучом Солнца. Атмосфера рассеивает и поглощает коротковолновой спектр сложного белого света, оставшийся видимый свет воспринимается нами как желтый.
История Солнца началась около 4,6 миллиарда лет назад. Предполагается, что мы принадлежим третьему поколению звездных систем в эволюции нашей Вселенной с момента Большого Взрыва. Изотопный анализ показывает, что вещество Солнца и солнечной системы составилось из молекулярного облака, образовавшегося из двух взрывов сверхновых, разбросавших вокруг вещество, содержащее водород, гелий, углерод, азот, кислород, железо и другие элементы. Часть этого вещества обособилось в некое газопылевое облако диаметром в несколько световых лет. Его масса составляла свыше 10^31 кг. Естественно, под действием столь большой массы происходит гравитационное сжатие этого облака. Гравитация согласно Эйнштейну искривляет пространство-время, поэтому частицы сжимающегося вещества перемещаются к центру облака не прямолинейно, а по спирали. Так зарождается вращение этого облака. Согласно закону сохранения импульса с уменьшением радиуса вращения растет его угловая скорость.
Под воздействием собственной гравитации облако сжалось в компактный вращающийся диск, в центре которого сформировалось будущее Солнце — газовый шар протосолнце. Гравитация сжимала протосолнце, тем самым разогревая его, и при температуре порядка 10 миллионов градусов Кельвина в центре системы началась реакция протон-протонного термоядерного синтеза. Аккреция диска прекратилась, когда сила солнечного ветра и центробежная сила вращения диска превзошли силу гравитации притягивания вещества диска к протосолнцу, и солнечный ветер — альфа-частицы, протоны и электроны — разогнал остатки материала по орбитам будущей Солнечной системы. В этой ситуации протосолнце стало Солнцем — звездой главной последовательности. Такова наиболее обобщенная модель зарождения Солнца и солнечной системы.
Солнце имеет несколько различных по свойствам сфер в своей структуре.
Во-первых, это ядро, в котором происходит в настоящее время термоядерный синтез гелия из водорода. Радиус ядра составляет примерно четверть радиуса Солнца, то есть около 170 тысяч километров.
Накопление гелия ведет к постепенному повышению температуры ядра. В настоящее время она составляет 15,7 миллионов градусов Кельвина. В процессе термоядерной реакции количество водорода уменьшается, гелиевые скопления ядра увеличиваются. Параллельно с этим уменьшается водородная реактивная часть объема ядра. Давление в реактивной части ядра от этого растет, что и ведет к повышению интенсивности термоядерного синтеза и его температуры. Расчеты показывают, что через 1,1 миллиард лет тепловое излучение Солнца увеличится на десять процентов, что приведет к росту температуры на поверхности Земли с нынешней средней 15 градусов Цельсия до 47.
Термоядерный синтез, происходящий в ядре, создает положительный энергобаланс, то есть выделяется энергии больше, чем затрачивается. Каждую секунду сгорает 4,26 миллионов тонн водорода, превращаясь в гелий. Так как масса Солнца 2х10^27 тонн, то этого добра хватает на 11 миллиардов лет.
Часть энергии, вырабатываемая в солнечном ядре, теряется практически впустую — в виде излучения нейтрино. Нейтрино не взаимодействует с барионным материалом, поэтому солнечное вещество для него прозрачно. Это излучение просто охлаждает солнечный котел. Кстати это свойство нейтрино и является причиной его открытия. Ученые думали-думали, а куда девается некая часть энергии? По расчетам должно быть столько, а излучается почему-то меньше. Вот и решили, что всему причиной являются некие нейтрино. Сейчас их пытаются изучать и даже найти им практическое применение.
Ну а полезная энергия солнечного ядра, которая дает нам жизнь и прочие блага, излучается в виде фотонов. Фотоны — это кванты электромагнитного излучения. Они различаются по длине волн.
Ядро своей энергией рождает самые высокоэнергичные коротковолновые фотоны — гамма-излучение. Гамма-фотоны из ядра попадают в следующую сферу солнечных недр — радиационную, называемую еще зоной лучистого переноса, толщина которой оценивается примерно в 350 тысяч километров. Это плотная плазма, температура которой составляет от 2 миллионов Кельвинов в наружной части до 7 миллионов Кельвинов во внутренней. Из-за высокой плотности — от 0,2 на поверхности до 20 г/см^3 в глубине — макроскопические конвективные перемещения вещества в этой сфере отсутствуют. Энергия переносится фотонами. В среднем условный фотон проходит эту зону за 170 тысяч лет. Фотон условен потому, что это в общем-то не один и тот же фотон, допустим, с именем А идет и идет через зону лучистого переноса. Он поглощается каким-то атомом плазмы, который от полученной энергии возбуждается и выделяет новый фотон Б и т. д. Происходит что-то вроде цепной реакции поглощений и выделений фотонов. Понятно, что к наружной поверхности зоны лучистого переноса основная часть фотонов доходит с потерями энергии, то есть увеличиваясь в длине волны и становясь уже рентгеновским излучением.
Следующая сфера — конвективная зона толщиной 200 тыс километров. Здесь уже температура и плотность плазмы недостаточна для возможности лучистого переноса энергии. Получив энергию фотонов из предыдущей зоны, вещество плазмы перемещается в наружную часть конвективной зоны к фотосфере, охлаждаясь до 5800 Кельвинов. Соответственно, и длины волн фотонов, которые излучает солнечное вещество из конвективной зоны, доходят до световых диапазонов. Передав энергию фотонов фотосфере, охлажденное вещество плазмы возвращается к поверхности зоны лучистого переноса, чтобы возобновить цикл. Вот так и идет круговорот плазмы в конвекционной зоне — это, собственно, и есть конвекция солнечного вещества.
Следующая зона — фотосфера имеет толщину порядка 100-400 километров. Само название дает понять, что это то, что мы видим на Солнце. Если, конечно, вооружимся солнцезащитным оборудованием. Так называемая эффективная температура фотосферы Солнца составляет 5780 Кельвинов. То есть это та температура, которую получает следующая зона хромосфера от фотосферы.
Хромосфера — относительно прозрачная разреженная зона толщиной от 2 000 до 20 000 километров. В этой сфере происходит разогрев вещества до 20 000 Кельвинов. При затмении Солнца эта сфера видится как красная, отсюда и название.
Также во время затмения мы наблюдаем внешнюю оболочку солнечной атмосферы — корону. Это выбросы солнечного вещества, так называемые протуберансы, порождаемые солнечным ветром и магнитными дугами, выходящими над поверхностью фотосферы. Температура верхней части короны достигает 1 500 000 миллионов Кельвинов. Соответственно отсюда солнечный луч получает рентгеновский диапазон излучения, из-за которого космос за пределами земной магнитосферы опасен для здоровья космонавтов.
Немного о магнетизме Солнца. Движение плазмы в конвективной зоне создает магнитные поля на поверхности фотосферы. Ведь плазма — это ионизированное вещество, движение заряженных частиц создает магнетизм, как известно. На поверхности фотосферы скапливается магнитный потенциал в виде так называемых солнечных пятен — затемненных участков.
Источник