Звезды не остаются неизменными на протяжении всей своей жизни, и Солнце не является исключением. Вот что происходит.
Здесь, на Земле, ингредиенты для жизни, чтобы выживать, процветать, развиваться и поддерживать себя в нашем мире, сосуществовали в обязательном порядке в течение миллиардов лет. В дополнение ко всем атомам и молекулам, которыми обладает наша планета, наш мир также имеет подходящие условия для жидкой воды на своей поверхности благодаря нашей атмосфере и расположению на правильном расстоянии от нашего Солнца.
Тем не менее, если бы Солнце было значительно холоднее или горячее, эта обитаемость внезапно закончилась бы. Все ингредиенты, которые мы могли бы представить, не изменили бы простого факта: без правильного поступления энергии от нашего Солнца жизнь была бы невозможна. Наше Солнце содержит 99,8% массы Солнечной системы, но с каждым днем становится все светлее. Когда пройдет достаточно времени, его изменения сделают Землю непригодной для жизни. Вот как это меняется.
Когда наша Солнечная система только сформировалась, большой сгусток массы начал гравитационно притягивать к себе все больше и больше материи, формируя растущую протозвезду. Вокруг него сформировался протопланетный диск, заполненный семенами будущих планет Солнечной системы. Затем последовала гонка между двумя конкурирующими силами: гравитацией, работающей над ростом нашей протозвезды и планет внутри диска, и излучением внешних звезд и нашей молодёжи, формирующим Солнце.
Когда излучение, наконец, побеждает, наше Солнце и планеты больше не могут расти, а материя, которая продолжала бы падать, сдувается, в конечном итоге давая начало нашей современной Солнечной системе.
Это точка, в которой наша Солнечная система достигает пика массы: самой массивной из когда-либо существовавших. Это также отмечает, не случайно, точку, где наше Солнце наименее энергично. Пока он соединяет более легкие элементы с более тяжелыми, он никогда больше не будет выделять так мало энергии.
Не кажется ли это парадоксальным? С этого момента Солнце станет только менее массивным, а количество излучаемой им энергии будет только возрастать.
Если это противоречит тому, что, по вашему мнению, мы знаем о звездах, вы не одиноки. В конце концов, более массивные звезды горят горячее и ярче при прочих равных условиях.
На самом деле существует всего несколько факторов, которые в сочетании друг с другом определяют, насколько горяча звезда. Учитывая, что звезды получают свою энергию от ядерного синтеза более легких элементов в более тяжелые, мы можем фактически перечислить, что заставляет звезду выделять энергию. Факторы:
- Температура в ядре звезды, поскольку более высокие температуры означают большее количество энергии на частицу, что повышает вероятность слияния при столкновении двух частиц.
- Размер области слияния, поскольку большие области, в которых может произойти слияние, приводят к большему слиянию за то же время.
Если мы посмотрим и сравним две разные звезды, более массивная имеет тенденцию достигать более высоких температур ядра и иметь большую область слияния. Но если мы заглянем внутрь любой отдельной звезды, мы увидим нечто другое.
Солнце, сжигая свое топливо, получает энергию, превращая водород в гелий в результате цепной реакции. Протон-протонная цепочка - это то, как наше Солнце (и большинство звезд) получает свою энергию, поскольку конечный продукт (гелий-4) легче и имеет меньшую массу, чем исходные реагенты (4 протона). Ядерный синтез работает по принципу эквивалентности массы и энергии, где небольшая доля около 0,7% от общей массы всего, что подвергается синтезу, преобразуется в энергию с помощью уравнения Эйнштейна E=mc².
Когда это происходит, масса Солнца медленно падает; энергия переносится на поверхность, а «отходы» гелия погружаются глубже в центральную область ядра.
Гелий в самом центре не может плавиться при этих температурах, поэтому в богатых гелием областях происходит меньше синтеза на единицу объема. Без термоядерного синтеза излучение меньше, и богатая гелием внутренняя часть начинает сжиматься под действием собственной гравитации. Но гравитационное сжатие выделяет энергию, а это означает, что большое количество тепла/тепловой энергии переносится наружу.
По мере старения звезды внутренняя температура увеличивается, и область, в которой может произойти синтез (при температуре 4 миллиона К и выше), расширяется наружу. В целом скорость слияния и объем, в котором происходит слияние, со временем увеличиваются. Это приводит к тому, что Солнце - и все солнцеподобные звезды - увеличивают свою выходную энергию по мере старения.
В то же время энергия, переносимая на поверхность, вызывает не только излучение света, но и некоторые свободно удерживаемые частицы на краю фотосферы Солнца. Электроны, протоны и даже более тяжелые ядра могут получить достаточную кинетическую энергию, чтобы вылететь из Солнца, создав поток частиц, известный как солнечный ветер. Заряженные частицы распространяются по всей Солнечной системе и в подавляющем большинстве полностью покидают Солнечную систему, хотя некоторые из них, благодаря случайному выравниванию в геометрии, в конечном итоге столкнутся с атмосферами одной из планет. Когда они это делают, они создают эффект, известный как полярное сияние, который человечество измеряло и наблюдало на протяжении всей истории.
За последние 4,5 миллиарда лет Солнце стало более горячим, но и менее массивным. Солнечный ветер, как мы его измеряем сегодня, примерно постоянен во времени. Время от времени случаются вспышки и выбросы массы, но они едва ли влияют на общую скорость потери массы Солнцем. Точно так же выход энергии синтеза Солнца увеличился примерно на 20% в течение его истории, но это тоже небольшой фактор.
Если мы сегодня измерим скорость потери массы как из-за солнечного ветра, так и из-за ядерного синтеза, мы сможем выяснить, насколько светлее становится Солнце с каждой проходящей секундой. Мы также можем экстраполировать, сколько массы потеряло Солнце за всю свою историю с момента своего рождения: замечательный подвиг.
Солнечный ветер уносит около 1,6 миллиона тонн массы каждую секунду, или 1,6 × 10⁹ кг/с. Конечно, это много материала, и он накапливается в течение длительного периода времени. Каждые 150 миллионов лет Солнце теряет примерно массу Земли из-за солнечного ветра, или около 30 масс Земли за все время существования Солнца.
В результате термоядерного синтеза Солнце теряет еще большую массу. Выходная мощность Солнца относительно постоянна и составляет 4 × 10²⁶ Вт, что означает, что каждую секунду оно преобразует примерно 4 миллиона тонн массы в энергию. Таким образом, в результате синтеза Солнце каждую секунду теряет около 250% массы, уносимой солнечным ветром. В течение своей жизни в 4,5 миллиарда лет Солнце потеряло около 95 земных масс из-за термоядерного синтеза: примерно масса Сатурна.
Со временем количество массы, теряемой Солнцем, будет увеличиваться, особенно по мере того, как оно входит в гигантскую фазу своей жизни. Но даже при такой относительно стабильной скорости рост гелия в ядре Солнца означает, что мы будем нагреваться здесь, на планете Земля. Примерно через 1-2 миллиарда лет Солнце станет настолько горячим, что земные океаны полностью выкипят, что сделает невозможной жидкую воду на поверхности нашей планеты. По мере того, как Солнце становится все светлее и светлее, оно, вопреки здравому смыслу, будет становиться все горячее и горячее. Наша планета уже израсходовала примерно три четверти того времени, которое у нас есть для жизни на Земле. Поскольку Солнце продолжает терять массу, человечество и вся жизнь на Земле приближаются к своей неизбежной судьбе. Давайте посчитаем эти последние миллиард или около того лет.