Чому світять Сонце та зорі?

Зараз ми знаємо, що Сонце — це лише одна з безлічі зір Галактики. Й усі вони випромінюють видиме світло та інші електромагнітні хвилі завдяки термоядерним реакціям. Одні елементи перетворюються на інші, при цьому частина маси перетворюється на енергію. Але шлях до цього знання був довгим і дуже непростим.

Сонце
Сонце. Джерело: www.newsweek.com

Чому світить Сонце?

З давніх-давен люди знали, що наше світило є головним джерелом світла та тепла на Землі, що забезпечують існування рослин і тварин, завдяки яким люди не помирали з голоду. Недарма ж у багатьох міфологіях саме зі зникненням Сонця були пов’язані легенди про загибель світу.

Проте питання, чому Сонце світить, багато століть залишалося не просто без відповіді, а так чи інакше забороненим. Усе, що відбувалося на небесах, вважалося справою божественних сил, а найсакральнішим небесним об’єктом було саме Сонце.

Бог Сонця Ра
Стародавні єгиптяни вірили, що Сонце — це бог Ра, що пливе небом на човні. Джерело: education.nationalgeographic.org

Сама думка про те, що в космосі діють ті самі фізичні закони, що й на Землі, вкорінилась у свідомості науковців лише у XVII столітті. Приблизно тоді ж стало зрозуміло, що інші зорі — такі ж сонця, як і наше, тому все, що його стосується, справедливо і для них.

Усе XVIII століття пішло на те, щоб остаточно з’ясувати, що енергія нізвідки не виникає й нікуди не зникає. Вона тільки переходить з однієї форми в іншу або від одного тіла до іншого. Нарешті, у XIX столітті наука була готова до того, аби серйозно поставити питання, яке ж джерело енергії живить наше Сонце.

Чому Сонце не згасає?

Перша спроба належала німецькому фізику Роберту Юліусу Маєру, який 1848 року підрахував, що якби джерелом енергії Сонця було вугілля, то при тій потужності випромінювання, що спостерігається зараз, воно б мало закінчитися всього за кілька тисяч років.

Хоча у природі існує й калорійніше викопне паливо, вже Маєру було зрозуміло, що жодна хімічна реакція необхідної кількості енергії не дає. Тому він запропонував альтернативну теорію: енергію Сонця виділяють метеорити, що згоряють у його атмосфері. Але в такому разі вони мали б спричинити справжнє пекло також на Землі. Крім того, маса світила мала б стрімко зростати й цього неможливо було б не помітити.

Ця теорія не влаштовувала нікого, тому 1853 року англійський фізик Вільям Томпсон, більш відомий як лорд Кельвін, і німецький учений Герман Гельмгольц висунули припущення, що основне джерело енергії Сонця — гравітація. Стискання сталої маси газу під дією власної сили тяжіння викликає його нагрівання.

Юпітер випромінює радіацію завдяки механізму Кельвіна-Гельмгольца
Юпітер випромінює радіацію завдяки механізму Кельвіна — Гельмгольца. Джерело: exoplanetscience.org

Механізм Кельвіна — Гельмгольца справді може призводити до виділення енергії. Так її виробляють коричневі карлики та планети-гіганти, подібні до Юпітера. Але щодо Сонця навіть у самих авторів ідеї з розрахунків виходило, що воно існує не більш як 20 млн років і згасне не пізніше, ніж через 15 млн років.

Це не узгоджувалося з даними геології, яка вже тоді встановила, що вік гірських порід на Землі вимірюється сотнями мільйонів років. Але нічого кращого вчені тоді вигадати не могли, тож теорія Кельвіна — Гельмгольца так і лишалася найавторитетнішим поясненням механізму світності Сонця та зір аж до початку XX століття.

Невловимий гелій

Тим часом спектроскопія подарувала науковцям новий спосіб визначати, з чого складається предмет, що світиться, «не дотикаючись» до нього. Застосувавши цей метод до Сонця, вчені зразу ж знайшли чимало ліній, які належали елементам, ще не знайденим на Землі.

Один із них — гелій — був відкритий під час повного сонячного затемнення 18 серпня 1868 року. Свою назву він отримав два роки потому на честь грецького бога Сонця. Вважалося, що цього елемента на Землі насправді немає і він може бути якось пов’язаний зі світінням, але як саме — тоді здогадатися не змогли, адже атом все ще вважався неподільним, а значить, ідея термоядерних реакцій теж виникнути не могла.

Спектр випромінювання гелію
Спектр випромінювання гелію. Джерело: www.vernier.com

На Землі гелій виявили у 1881 році, однак тоді це відкриття не визнали. Остаточно його присутність на нашій планеті встановили 1898 року. Це збіглося з початком досліджень атомного ядра, у яких цей елемент відіграв не останню роль.

У 1906-му Ернест Резерфорд та інші вчені, які займалися дослідженнями щойно відкритої радіоактивності, виявили, що α-частинки являють собою ядра гелію. Це стало однією з основ сучасної планетарної моделі атома і, як наслідок, вчення про реакції поділу та злиття атомних ядер.

Сонце як термоядерний реактор

Сам Резерфорд висунув гіпотезу, що наша зоря світить завдяки реакції радіоактивного розпаду. Це значно збільшувало можливий час її існування, але незрозумілим лишалося, де ж на Сонці уран (його спектральних ознак довго не могли виявити). Проте вже 1920 року з’явилася значно цікавіша та реалістичніша ідея.

1920 року Артур Еддінгтон звернув увагу, що чотири ядра водню, тобто протони, мають сумарну масу, трохи більшу за одне ядро гелію. Згідно з теорією відносності Ейнштейна, різниця мас могла б перетворитися на енергію, і саме її мало б вистачити для того, аби пояснити світіння Сонця та зір.

Артур Еддінгтон
Артур Еддінгтон. Джерело: www.britannica.com

І водень, і гелій на Сонці були. Але фізикам знадобилося ще понад тридцять років, аби збагнути, як ці елементи перетворюються один в одного. У процесі цього стало зрозуміло, що в глибинах зір не тільки відбувається виділення енергії, але й утворюються хімічні елементи, з яких складаються планети та живі організми.

Протон-протонний цикл

Для зір, схожих на Сонце, основним способом отримання енергії є той, на який вказав Еддінгтон. Він називається протон-протонним циклом і складається з кількох взаємопов’язаних реакцій. На першому етапі два протони об’єднуються у дейтрон — ядро важкого стабільного ізотопу водню. При цьому утворюються позитрон, нейтрино та деяка кількість енергії.

Протон-протонний цикл
Протон-протонний цикл. Джерело: Вікіпедія

На другому етапі дейтрон приєднує до себе протон і перетворюється на ядро гелію-3. При цьому виділяється гамма-частинка та значно більше енергії. Нарешті, остання реакція полягає в тому, що два ядра гелію-3 зливаються разом і перетворюються на ядро «звичайного» гелію, два протони та чималу кількість енергії.

Приблизно в одному випадку з 400 на першому етапі замість випромінювання позитрона поглинається електрон. При цьому виробляється трохи більше енергії, ніж у звичайному варіанті першого етапу циклу.

Але цикл на цьому не завершується. Два ядра гелію можуть злитися, утворивши берилій. А з нього при екстремальних температурах утворюються літій і бор. Крім того, в результаті реакцій протон-протонного циклу можуть утворюватися кисень, азот і вуглець, що є його кінцевими продуктами.

CNO-цикл

Протон-протонний цикл є основним джерелом енергії для зір із масою, як у Сонця чи легших за нього. Масивніші світила, які все ще залишаються на головній послідовності, тобто не витратили свої запаси водню, використовують переважно CNO-цикл.

CNO-цикл
CNO-цикл. Джерело: Вікіпедія

Свою назву цей цикл отримав від вуглецю, азоту та кисню, які є у ньому головними «дійовими особами». Саме вони приєднують до себе протони, перетворюючись при цьому на інші елементи й виділяючи енергію.

Енергії у CNO-циклі виділяється відчутно більше, ніж у протон-протонному. Однак і умови для протікання таких реакцій потрібні значно жорсткіші. Саме тому на Сонці вони практично не відбуваються.

«Горіння» важких елементів

Коли на зорі закінчується водневе «паливо» й вона починає сходити з головної послідовності, виникають умови для зовсім інших термоядерних реакцій. Як тільки температура в ядрі зорі перевищує 100 млн кельвінів, стає можливим цикл «горіння» гелію. Він не виділяє стільки енергії, як реакції за участі водню, і зоря може ним живитися у 100 разів менше часу, ніж попередніми способами. Проте він дає їй змогу проіснувати ще трохи.

Потрійна реакція гелію
Потрійна реакція гелію. Джерело: Вікіпедія

Спочатку два ядра гелію-4 об’єднуються у ядро берилію-8. Далі останній міг би приєднати до себе ще одне ядро гелію-4 і перетворитися на звичний нам вуглець-12. Але він нестабільний і йому для цього зазвичай не вистачає часу життя. 

Однак із підвищенням температури все більше ядер гелію стикаються між собою і утворюють вуглець у стабільному стані. А він, своєю чергою, починає приєднувати до себе подальші гелієві ядра, перетворюючись спочатку на кисень, а потім — на неон.

Для більшості зір на цьому все й завершується. Але найбільші з них, що за масою принаймні у 10 разів перевищують Сонце, здатні розігріватися до температури, за якої послідовно починають «горіти» вуглець, неон, кисень і, нарешті, кремній. Енергії від цих реакцій стає все менше й менше, але під час них здатні утворюватися хімічні елементи аж до заліза включно.

Зорі Вольфа-Рає світять переважно завдяки горінню гелію
Зорі Вольфа — Рає світять переважно завдяки горінню гелію. Джерело: Вікіпедія

Решта елементів періодичної таблиці утворюються при значно екстремальніших процесах — наприклад, при спалахах наднових. Але там уже про отримання енергії не йдеться. Теоретично також джерелом енергії зір можуть бути й зовсім екзотичні процеси на кшталт анігіляції, тобто реакції звичайної речовини з антиречовиною. Але досі жодного спостережного підтвердження існування таких світил не знайдено.

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!

Приєднуйтесь: https://t.me/ustmagazine

Невдале дослідження виявило дивну особливість Чумацього Шляху
Наступна місія до Плутона відбудеться не раніше 2050 року
Водні планети на орбітах білих карликів добре підходять для пошуку життя
Телескоп у Південній Америці зазнімкував космічного коропа коі
Астрономи відкрили чотири мінінептуни
Гігантський Магелланів телескоп став на крок ближчий до будівництва
Ракетний ступінь великим планом: японський супутник здійснив історичне зближення з космічним сміттям
Міжзоряний ремонт завершено: Voyager 1 відновив передачу всіх наукових даних
Важливий експеримент: NASA відправила у космос відео та фото з домашніми улюбленцями
Астрономи відкрили у пари зір дивовижні паралельні диски