Сергей Язев - Лекции о Солнце

В дальнейшем мы узнаем, что благодаря так называемым термоядерным реакциям масса Солнца ежесекундно уменьшается примерно на четыре миллиона тонн. Но это тоже мизерная величина по сравнению с огромной массой светила. Естественно, об этом эффекте Майер тоже не мог даже догадываться.

Существовал еще один мощный довод против гипотезы Майера: потемнение солнечного диска к краю. Этот факт, отмечавшийся наблюдателями еще со времен Галилея и Шейнера, можно объяснить только тем, что энергия Солнца поступает из его недр. Разогрев метеоритами, несомненно, должен был приводить к разогреву снаружи.

Заметим, что согласно современной теории, гипотеза Майера объясняет высокую светимость Солнца очень давно, более 4,5 миллиардов лет тому назад. Тогда в центре масс огромного газопылевого облака под воздействием силы тяготения формировался обширный сгусток вещества – тех же самых газа и пыли. Этот сгусток притягивал к себе окружающее вещество, и постоянный поток газа и пыли, ускоряясь, обрушивался на него. Кинетическая энергия падающего потока превращалась в тепло – центральный сгусток быстро нагревался и начал светиться. Расчеты показывают, что светимость протосолнца была достаточно высокой, и фактор падения вещества на него (астрофизики такое падение под воздействием гравитации называют аккрецией ) вполне объясняет, почему молодое Солнце ярко светилось. Со временем, когда падение вещества закончилось (бóльшая часть того, что могло упасть на Солнце, уже упала), фактор аккреции должен был уменьшиться и в конечном итоге исчезнуть. Подобные процессы мы и сейчас наблюдаем в молодых газопылевых дисках, где происходит на наших глазах формирование новых звезд. Но светимость зрелых звезд, на которые уже ничего не падает, объяснить гипотезой Майера не получается.

В 1855 году появилась новая гипотеза, с которой выступил немецкий естествоиспытатель Герман Людвиг Гельмгольц (1821–1894). Обратив внимание на тот факт, что тела разогреваются при сжатии, он предположил, что именно сжатие солнечного шара является источником его нагрева. В этом случае энергия действительно должна поступать из глубины. Причина сжатия была очевидна: это сила тяготения! Огромная масса вещества, собравшаяся в шар, под действием силы тяготения должна, согласно новой концепции, сжиматься, при этом сильно нагреваясь. Идея Гельмгольца о выделении тепла вследствие притяжения частиц, из которых состоит Солнце, известна в истории науки под названием контракционной гипотезы .

Гельмгольц, в отличие от Майера, подтвердил свою идею расчетами. Оказалось, что если Солнце будет сжиматься хотя бы на 60–70 метров в год, то будет выделяться тепло, которого вполне хватило бы на разогрев всей массы Солнца до нужных температур.

На первый взгляд, все сходилось! При огромном радиусе Солнца (696 тысяч километров) заметить эффект постепенного сжатия на какие-то мизерные десятки метров в год можно было, лишь наблюдая за светилом многие сотни (или даже тысячи) лет. Поэтому эффект незначительного уменьшения размеров Солнца со временем незаметен. Но для обеспечения одинаковой мощности излучения на протяжении всей жизни Солнца получалось, что возраст светила не может превышать 20 миллионов лет – иначе за миллионы лет Солнце сжалось бы до совсем небольших размеров.

В середине XIX века геологи и биологи уже понимали, что возраст нашей планеты гораздо больше! Изучение древних геологических пластов, исследование останков древних животных показывало, что Земля существует по крайней мере в 10–20 раз дольше. Сегодняшние оценки говорят как минимум о четырех с половиной миллиардах лет. Это возраст и нашей Земли, и всей Солнечной системы. Очевидно, что Солнце не может быть моложе своего окружения…

Тем не менее, идея о сжатии Солнца выглядела красивой, и начался интенсивный поиск выхода из положения. Английский геолог Джеймс Кролл, например, предложил идею, объединявшую в какой-то степени гипотезы Майера и Гельмгольца. Он предположил, что в далеком прошлом Солнце столкнулось с другой звездой, подобной себе, и тем самым получило дополнительный запас энергии, которого хватило надолго, а уже потом стало сжиматься. Потому-то Солнце и оказалось долгоживущей звездой.

Надо заметить, что если две звезды не входят в тесную двойную систему, вероятность столкновения двух звезд будет чрезвычайно низкой. Вообразите себе вероятность столкновения двух апельсинов, один из которых находится в Новосибирске, а другой – в Иркутске! Да и энергия столкновения при более детальных расчетах оказывается не такой уж большой, – хватит ее не на миллиарды лет.

Попытки спасти гипотезу с помощью различных усовершенствований модели (подобное не раз бывало в истории науки) позволили «дотянуть» возраст Солнца до 100 миллионов лет. Это на уровне знаний второй половины XIX века казалось вполне допустимой оценкой возраста и для Солнца, и для Солнечной системы в целом. Контракционная гипотеза стала новой основной концепцией (парадигмой) после опровергнутой фактами идеи темного Солнца, прикрытого яркой фотосферой. Новая парадигма воцарилась на несколько десятилетий.

Крах этой гипотезы связан с фундаментальным открытием, сделанным на исходе XIX века. В 1896 году французский физик, в будущем лауреат Нобелевской премии по физике Антуан Анри Беккерель (1852–1908) открыл явление радиоактивности . Оказалось, что некоторые типы химических элементов излучают коротковолновое электромагнитное излучение, а также так называемые корпускулы – микроскопические частицы, из которых построены атомы. Энергия этого излучения оказалась достаточно высокой.

Исследования феномена радиоактивности показали, что для каждого типа радиоактивных атомов можно определить так называемый период полураспада – период времени, за который распадается половина атомов данного образца. Если найти способ определения количества атомов радиоактивного урана и количества атомов конечного продукта его распада – свинца, то, зная период полураспада урана, можно определить, когда сформировался кусок породы, содержащей уран.

Открытие радиоактивности позволило с помощью «урановых часов» определить возраст Земли, который стал исчисляться миллиардами лет. Стало ясно, что контракционная гипотеза ошибочна: Солнце не могло быть младше планеты…

Однако огромный выход энергии при радиоактивном распаде привел ученых к новой гипотезе. А что, если именно радиоактивные вещества на Солнце разогревают недра светила? Эта идея была выдвинута выдающимся английским астрофизиком Джеймсом Хопвудом Джинсом (1877–1946) в начале XX века.

Как указал В. А. Бронштэн, доводы Джинса строились на основе формул расчета коэффициента поглощения рентгеновских лучей атомами водорода и других элементов, опубликованных в 1923 году нидерландским физиком Хендриком Энтони Крамерсом (1894–1952). Джинс считал, что в недрах Солнца температура настолько высока, что энергия должна излучаться в виде коротковолновых рентгеновских лучей (это недалеко от истины, с той оговоркой, что длина волны излучения в солнечном ядре еще меньше – это не рентгеновские, а гамма-лучи). Согласно формулам Крамерса, коэффициент поглощения входил в соотношение, которое связывало светимость Солнца и его массу. Но светимость Солнца и его масса известны. Это означало, что можно было рассчитать величину коэффициента поглощения по этим известным данным и попытаться понять, какому веществу оно соответствует.