Как мы узнаем, из чего состоят звезды?

Каждый день, уже миллиарды лет, Солнце встает над горизонтом Земли. Оно в 150 миллионах километрах от нас, но светит так ярко в небе, что невозможно смотреть без риска повредить глаза. На поверхности Солнца температура достигает 5500 градусов - достаточно, чтобы любой зонд истлел задолго до того, как подлетит к поверхности. Короче говоря, Солнце слишком горячее, чтобы держать его в кулаке. Но это не значит, что его нельзя изучать. В нашей галактике больше 100 миллиардов звезд, которые мы также не можем посетить. При этом нам удается искать и находить способы их изучения.

На самом деле, есть несколько хитроумных способов, которые позволили нам начать разгадывать тайны звезд, разбросанных по всему ночному небу, будто они находятся недалеко от нас. Как это возможно?

Начнем с самого света. Возможно, мы не можем безопасно смотреть на Солнце, но научные инструменты - вполне. Как вы знаете, «белый» свет состоит из всех цветов радуги, и мы можем увидеть эти цвета - от темно-красного до фиолетового - если «расщепим» свет призмой.

В 1802 году английский ученый Уильям Хайд Волластон проделал это со светом Солнца и выявил нечто неожиданное: темные линии в спектре. Спустя несколько лет немецкий оптик Йозеф фон Фраунгофер построил специальный инструмент спектрометр для лучшего расщепления света. И увидел еще больше этих любопытных темных линий.

Вскоре ученые поняли, что темные линии проявились там, где цвета пропали из спектра. Они пропали, поскольку элементы в Солнце и вокруг него поглощают эти определенные длины волн света. Темные линии, выходит, указали на присутствие определенных элементов, водорода, натрия и кальция.

Это чрезвычайно умное, красивое и простое открытие мгновенно рассказало нам о ключевых элементах нашей ближайшей звезды. Однако, как говорит Филипп Подсядловский, физик Оксфордского университета, у такого подхода есть свои ограничения. «Он может рассказать лишь о составе поверхности, но не расскажет ничего о составе в центре Солнца», говорит он.

Что же находится внутри Солнца и может ли его содержание объяснить колоссальную энергию нашего светила?

Наше понимание массивного выхода энергии Солнца начало кристаллизоваться в начале 20-го века, когда предположили, что если атомы водорода могут сливаться вместе, они будут создавать совершенно новый элемент - гелий - и высвобождать энергию в этом процессе. Стало очевидно, что Солнце богато водородом и гелием и обязано своим могуществом переходу первого в последний. Однако эту идею еще предстояло подтвердить.

«В 1930-х люди поняли, что Солнце, вероятно, питается энергией синтеза водорода, но пока это оставалось сугубо теорией», объясняет Подсядловский.

И тогда изучение Солнца стало воистину странным. Чтобы лучше понять звезду, которая дарует жизнь нашей планете, нам нужно было уйти в подполье. Нам пришлось расположить наши эксперименты под горами. Так был спроектирован японский детектор Супер-Камиоканде (Super K), между прочим, который выдает на-гора прекрасные результаты.

В 1000 метров ниже поверхности находится странная грязная комната. В ней находится озеро чрезвычайно чистой воды и 13 000 сферических объектов покрывают стены, пол под водой и потолок. И это не фантастическая установка: так устроен Super K, который помогает нам понять принципы работы Солнца.

Раз детектор так глубоко, очевидно, он был построен не для обнаружения света. Вместо этого он ждет особые частицы, которые рождаются в центре нашей звезды и пролетают через вещество, как самолет пролетает сквозь воздух.

Через вас проходят триллионы частиц ежесекундно. Если бы не было специальных детекторов, мы никогда бы не узнали об этом. Но Супер-К может улавливать примерно 40 частиц в день, благодаря обнаружению особого света, который рождается, когда эти частицы - нейтрино - взаимодействуют с бассейном чистой воды.

Созданный свет невероятно слабый, но генерирует своего рода ореол вокруг нейтрино, и это гало могут уловить феноменально чувствительные детекторы света, в изобилии имеющиеся на стенах.

Специальные типы нейтрино, которые определяются с помощью этого метода, являются прямым свидетельством того, что внутри Солнца происходит термоядерный синтез водорода в гелий. У нас нет другого объяснения образованию нейтрино.

«Вы можете уловить лишь небольшую долю нейтрино, но после рассчитать, сколько нейтрино там должно быть, опираясь на действительные данные», говорит Подсядловский.

Что еще более удивительно: эти нейтрино образуются в процессе реакций синтеза в центре Солнца, а уже через восемь минут их подхватывает детектор Супер-К. Изучение нейтрино позволяет наблюдать происходящее глубоко в недрах Солнца практически в режиме реального времени.

Если этого недостаточно, мы можем даже изобразить Солнце с помощью этого метода. Вполне возможно создать снимки интерьера Солнца исключительно из измерений, сделанных в подполье, куда не может проникнуть солнечный свет.

Чтобы лучше понять детали этих реакций синтеза, необходимо также попытаться воссоздать их на Земле. В принципе, это не сложно. 13-летний британский школьник успешно инициировал реакцию синтеза в 2014 году. Но если вы хотите наблюдать за этими реакциями без вмешательства со стороны частиц, со свистом приходящих от самого Солнца, придется снова погрузиться под землю.

Именно этим занимается Мари-Луиза Алиотта, физик-ядерщик из Университета Эдинбурга.

Что особенно сложно в реакциях синтеза, объясняет Алиотта, так это «заставить» два атома согласиться на слияние. Вероятность подобного, несмотря на триллионы атомов, плавающих повсеместно, ничтожно мала.

Но у Солнца есть два преимущества, которые склоняют чашу в пользу синтеза. Оно массивное, поэтому располагает гигантским числом атомов, и у него также мощная гравитация, которая сжимает водород в плазму: газообразный водород находится под таким мощным давлением, что электроны отделяются от протонов в ядре. В такой среде реакция синтеза происходит с удовольствием.

«В звезде типа Солнца вероятность того, что в процессе ядерной реакции будет высвобождено значительное количество энергии, достаточно высока просто потому, что имеется множество протонов, - объясняет Алиотта. - В лаборатории у нас нет такого количества протонов, поэтому гораздо труднее изучать подобные процессы».

Тем не менее Алиотта способна экспериментировать с синтезом в местах вроде Лаборатории подземной ядерной астрофизики (LUNA) в Италии. Эта работа позволяет Алиотте и ее коллегам узнавать больше о том, как происходит синтез - какие продукты при этом рождаются, как взаимодействуют частицы.

Легко складывается впечатление, что Солнце является постоянным элементом, который будет светить с завидным уровнем постоянства веки вечные. Но это не так. На самом деле, у звезд есть циклы и продолжительность жизни, которая зависит от их размеров и точных пропорций элементов внутри них и может быть самой разной.

В последние годы мы смогли узнать больше о том, как меняется Солнце, изучая некоторые из его особенностей. Пятна, например, это темные временные участки, которые появляются на поверхности Солнца время от времени. Зонды имели возможность точно изучить, как много радиации, включая видимый свет, излучает Солнце в течение нескольких лет.

В 1980-х годах ученые, работающие над миссией Solar Maximum Mission, осознали, что в течение 10 лет энергетический выход Солнца уменьшался, а затем снова возрастал. Но что на самом деле удивило их, так это число солнечных пятен, соответствовавших этой активности: чем больше их было, тем больше энергии высвобождало Солнце. Поскольку пятна темнее и холоднее остальной части солнечной поверхности, это было сюрпризом.

«Все оказалось наоборот, - говорит Саймон Фостер из Имперского колледжа в Лондоне. - Было очень странно, что чем больше темных и холодных особенностей, тем Солнце горячее».

В конце концов, ученые обнаружили причину этому. На поверхности Солнца имеются специальные яркие области - факелы - которые совпадают с солнечными пятнами, но отличаются от них, так что заметны и те и те. Именно эти факелы высвобождают лишнюю энергию.

Наряду с пятнами, можно также обнаружить солнечные вспышки - мощные вспышки материи, вырывающейся с поверхности Солнца после наращивания магнитной энергии. Поскольку звезды излучают радиацию по всему электромагнитному спектру, эти вспышки можно обнаружить рентгеновскими детекторами. Но есть и другие способы. Например, прослушивание радиоволн - другой формы электромагнитного излучения.

Огромный радиотелескоп Jodrell Bank в Англии, первый в своем роде, умеет обнаруживать солнечные вспышки, говорит Тим О’Брайен из Университета Манчестера, работающий на телескопе.

Радиотелескопы весьма неплохо выделяют интересные моменты жизни звезды. Когда звезда ведет себя «нормально», не проявляя излишней активности, она не излучает много радиоволн. Но когда рождаются звезды, когда они умирают, появляется очень много радиоволн.

«Мы видим активные события. Видим взрывы звезд, ударные волны, звездные ветры», говорит О’Брайен.

Радиотелескопы также использовались ученым Северной Ирландии Джоселином Беллом Бернеллом для обнаружения пульсаров - особого типа нейтронных звезд.

Нейтронные звезды рождаются после гигантских взрывов сверхновых, когда звезда коллапсирует и становится невероятно плотной. Пульсары представляют собой примеры таких нейтронных звезд, которые излучают пучки электромагнитного излучения с полюсов и могут быть обнаружены радиотелескопами.

Из-за регулярных сигналов, испускаемых каждые несколько миллисекунд, некоторые ученые сначала было подумали, что это такая форма общения разумных видов по всей Вселенной.

Благодаря открытию множества пульсаров, теперь понятно, что регулярный импульс порождается вращением самой звезды.

«Она вращается вокруг вертикальной оси, и этот пучок выходит по диагонали - словно подметая небо, - объясняет О’Брайен. - Если он окажется на линии визирования, вы увидите регулярные вспышки по мере вращения пучка. Как у маяка».

Некоторые звезды обречены стать пульсарами. Но наше Солнце не постигнет такая участь: оно слишком маленькое, чтобы взорваться в реакции сверхновой в конце своей жизни. Какой же будет его судьба через миллиарды лет?

Из наблюдений других звезд вокруг нас в галактике мы знаем, что существует целый ряд возможных развязок. Но учитывая массу нашего Солнца и сравнивая его с похожими звездами, мы решили, что будущее нашего светила достаточно очевидно.

Мы ожидаем, что оно постепенно будет расширяться по мере старения - в ближайшие 5 миллиардов лет - чтобы стать красным гигантом. Излучение будет становиться все слабее по мере расходования водородного топлива. У более «слабого» света будет ниже частота, ниже энергия, и Солнце, следовательно, будет краснеть.

Затем, после серии взрывов, все, что останется, это будет внутреннее углеродное ядро Солнца - алмаз размером с Землю. Этот «белый карлик» будет медленно остывать в течение триллиона лет.

Мы еще очень много не знаем о Солнце, и ряд проектов призван разрешить давно волнующие ученых загадки.

Например, Solar Probe Plus, который подойдет к Солнцу ближе, чем любой другой зонд в истории, чтобы попытаться узнать больше о том, как производятся солнечные ветры, и понять, почему корона Солнца - аура плазмы вокруг светила - горячее, чем его фактическая поверхность.

Но основы нам известны. Расщепляя свет Солнца на спектр цветов, улавливая нейтрино в глубоких темных подземных лабораториях, мы сумели ответить на много важных вопросов о природе нашего Солнца. Мы также многое знаем о том, из чего состоят звезды, как производят свет и как этот процесс произвел широкий ряд элементов, так необходимых на Земле.