Сергей Язев - Лекции о Солнце

Осцилляции электронных нейтрино в стерильные также не исключены, но уже ясно, что доля электронных нейтрино, осциллирующих в стерильное состояние, не превышает 30 %.

Впереди еще много работы, связанной с уточнением поведения нейтрино, изучением свойств этих во многом еще загадочных частиц. Много надежд возлагается на уникальный современный проект IсeCube – ледяной куб на Южном полюсе. Проект реализован специалистами из США совместно с коллегами из Бельгии, Германии, Швеции и Японии. Здесь в качестве рабочего вещества используется лед! С помощью бурильной установки, использующей обычный кипяток, в ледяном щите Антарктиды проплавлены глубокие каналы, в которые опущены оптические датчики, способные регистрировать вспышки в ледяной толще. Каналы были залиты быстро замерзающей на антарктическом холоде водой, и датчики вмерзли в лед. Общие размеры ледяного детектора впечатляют – кубический километр…

Столкновения нейтрино с молекулами воды должны приводить к выделению частиц под названием мюоны. Это приводит к вспышкам света, которые и регистрируются датчиками. Антарктический детектор рассчитан на исследование высокоэнергичных нейтрино, порождаемых термоядерными реакциями значительно большей мощности, чем в недрах Солнца: во время взрывов сверхновых, столкновений черных дыр и нейтронных звезд. Этот проект дает много новой информации о сущности нейтрино.

Итак, хотя в физике нейтрино остается еще много неясного, уже сейчас можно уверенно сказать, что проблема солнечных нейтрино наконец успешно решена. Стало понятно, чем обусловлено расхождение между теоретическими расчетами и результатами наблюдений. Теорию, как всегда в таких случаях, пришлось усовершенствовать. Но модернизировать пришлось теорию нейтрино, а не теорию термоядерного синтеза в недрах звезд! В 2002 году создатель первого хлор-аргонного нейтринного детектора Дэвис и один из создателей водного детектора «Супер-Камиоканде» японский физик Масатоси Кошиба (род. 1926) были удостоены Нобелевской премии по физике за решение проблемы солнечных нейтрино.

Авторы альтернативных теорий, спекулировавшие на нейтринной проблеме и пытавшиеся, ссылаясь на нее, отвергать «солнечный термояд» как таковой, лишились главного довода. Теория наконец соответствует наблюдениям!

Впрочем, если говорить честно, у большинства астрофизиков никогда не было сомнений в правильности основных положений термоядерной теории солнечной энергии. Дело в том, что практика – основной критерий истины, а термоядерная реакция уже более полувека назад была экспериментально осуществлена на Земле во время испытаний водородных бомб! Сам факт существования термоядерного оружия, история его испытаний, показавших, что создатели водородной бомбы разработали правильную теорию (мощность взрывов соответствовала расчетам!), – самый весомый довод в пользу того, что теория верна.

Физики как никто другой понимают, что в ядре Солнца, где температура превышает 15 миллионов градусов, плотность близка к 150 граммам в кубическом сантиметре, а давление составляет 25 квадриллионов паскалей, термоядерные реакции превращения водорода в гелий просто не могут не идти! И это означает, что подробности и детали процесса еще могут уточняться, но основная идея может считаться надежно и навсегда подтвержденной. Проблема источника энергии Солнца, а заодно и большинства других звезд наконец решена.

Сегодня поставлена грандиозная задача – реализовать процесс управляемого термоядерного синтеза на Земле, построить не бомбу, где этот процесс идет доли секунды в виде взрыва, а реактор, где энергия будет выделяться постепенно. Для этого нужны «мелочи» – научиться поддерживать водородную плазму при миллионах градусов и гигантских давлениях. Вся теория процесса разработана уже давно, но технические трудности не позволяют решить задачу в течение вот уже полувека. Во второй половине 2007 года руководство России приняло решение о новой программе, нацеленной на создание термоядерного реактора до 2040 года. Подобные работы ведутся в США и Европе, работают как национальные, так и международные проекты, на которые выделяется все больше средств. Есть надежда, что к середине XXI века человечество получит новый, экологически чистый источник огромного количества энергии, аналогичный тому, что работает в недрах Солнца. Создать на Земле искусственное Солнце – вот уж действительно достойная задача!

Итак, теперь мы знаем, что в центре Солнца под воздействием высоких температуры и плотности плазмы текут термоядерные реакции. Что еще происходит в недрах звезды, на огромном протяжении от центра до фотосферы? Что нам об этом известно?

На эти вопросы отвечает так называемая стандартная модель Солнца, созданная в ХХ веке. Она включает в себя громадное количество экспериментальных фактов, наблюдаемых гелиофизиками. Модель обладает свойством самосогласованности: в ней сведены к минимуму расхождения между разными результатами разных наблюдений, относящихся к разным параметрам Солнца, и расчетами, которые предсказывают значения этих параметров в рамках этой модели. Естественно, конкретные значения параметров модели подправляются и будут подправляться по мере нашего продвижения по пути дальнейшего изучения Солнца. Тем не менее, уже понятно, что стандартная модель Солнца, видимо, недалека от истины: она неплохо описывает все, что мы наблюдаем на Солнце.

Рис. 15. Строение Солнца

Итак, начнем подниматься к фотосфере из самого центра Солнца. Здесь кипят термоядерные реакции по крайней мере двух типов: углеродного и протон-протонного циклов. На углеродный цикл в самом центре Солнца приходится, согласно модели, примерно 30 % от общего энерговыделения. Если мы начнем «всплывать» к поверхности нашей звезды, мы обнаружим, что температура с 15 миллионов градусов будет постепенно снижаться – как и плотность вещества. Углеродный цикл, требующий более высоких плотности и температуры, быстро сходит на нет, и выделение энергии происходит уже только за счет основного на Солнце протон-протонного цикла.

Гелиофизики называют центральную часть Солнца, где протекают реакции термоядерного синтеза, ядром Солнца. Его внешняя граница лежит примерно в 0,2–0,3 радиусах звезды от ее центра. На внешней границе ядра температура падает примерно втрое (до 5 миллионов градусов). Заметно снижается и плотность водородно-гелиевой плазмы. В результате термоядерные реакции на этом уровне практически прекращаются. Выше (дальше от центра) выделившаяся энергия только переносится наружу, но уже не генерируется.