Это величайший источник энергии во Вселенной, но мы не знали об этом менее 100 лет назад.
“Солнце - это миазмы
Из плазмы накаливания
Солнце состоит не только из газа
Нет нет нет
Солнце - трясина
Он сделан не из огня
Забудьте о том, что вам говорили в прошлом» - They Might Be Giants
В нас настолько укоренилось, что Солнце - это ядерная печь, питаемая атомами водорода, превращающимися в более тяжелые элементы, что трудно вспомнить, что всего 100 лет назад мы даже не знали, что такое Солнце сделан из, а тем более из того, что приводило его в действие!
Из законов гравитации мы знали на протяжении веков, что она должна быть примерно в 300 000 раз больше массы Земли, а из измерений энергии, получаемой здесь, на Земле, мы знали, сколько энергии, которую он выделяет: 4 × 10^26 Вт, или примерно в 10^16 раз больше, чем у самых мощных электростанций на нашей планете.
Но неизвестно, откуда он черпает энергию. Не кто иной, как лорд Кельвин, решил заняться этим вопросом.
Из недавней работы Дарвина стало очевидно, что Земле понадобились по крайней мере сотни миллионов лет для эволюции, чтобы произвести то разнообразие жизни, которое мы наблюдаем сегодня, а от современных геологов Земля, по-видимому, существует не менее пары миллиардов лет. Но какой тип источника энергии может быть таким мощным в течение такого длительного периода времени? Лорд Кельвин - знаменитый ученый, открывший существование абсолютного нуля - рассматривал три возможности:
- ) Что Солнце сжигало какой-то вид топлива.
- ) Что Солнце питалось материалом Солнечной системы.
- ) Что Солнце генерирует энергию за счет собственной гравитации.
Как оказалось, каждого из них было недостаточно.
1.) Что Солнце сжигало какой-то вид топлива. Первая возможность, что Солнце сжигало какой-то источник топлива, имело большой смысл.
Наиболее «горючим» типом топлива является либо водород, либо углеводород, либо тротил, и все они могут соединяться - с кислородом - с выделением огромного количества энергии. В самом деле, если бы Солнце было полностью сделано из одного из этих видов топлива, у Солнца было бы достаточно материала, чтобы произвести это невероятное количество энергии - 4 × 10^26 Вт - для десятков тысяч лет только. К сожалению, хотя это довольно долго по сравнению, скажем, с человеческой жизнью, этого недостаточно, чтобы объяснить долгую историю жизни, Земли или нашей Солнечной системы. Поэтому Кельвин исключил этот вариант.
2.) Что Солнце питалось материалом из Солнечной системы. Вторая возможность была немного более интригующей. Хотя было бы невозможно поддерживать выходную мощность Солнца от любых атомов, которые в настоящее время там находились, в принципе можно было бы постоянно добавлять к Солнцу какой-то вид топлива, чтобы поддерживать его горение. Было хорошо известно, что наша Солнечная система изобилует кометами и астероидами, и до тех пор, пока к Солнцу будет добавляться достаточное количество нового (несгоревшего) топлива с примерно постоянной скоростью, его жизнь может быть продлена на значительное количество.
Однако вы не могли добавить произвольное количество массы, потому что в какой-то момент возрастающая масса Солнца немного изменит орбиты планет, которые наблюдались с невероятной точностью с момента 16 век и время Тихо Браге. Простой расчет показал, что даже простое добавление этого небольшого количества массы к Солнцу - менее одной тысячной доли процента за последние несколько столетий - будет иметь измеримый эффект, и что наблюдаемые устойчивые эллиптические орбиты исключают этот вариант. Итак, рассудил Кельвин, остается только третий вариант.
3.) Что Солнце генерирует свою энергию за счет собственной гравитации. Высвобожденная энергия могла быть приведена в действие гравитационным сжатием Солнца. через некоторое время. По нашему общему опыту, мяч, поднятый на определенную высоту на Земле, а затем отпущенный, будет набирать скорость и кинетическую энергию при падении, которые преобразуются в тепло (и деформацию), когда он сталкивается с поверхностью Земли и останавливается. Что ж, тот же самый тип начальной энергии - гравитационной потенциальной энергии - заставляет молекулярные облака газа нагреваться, когда они сжимаются и становятся более плотными.
Более того, поскольку эти объекты теперь намного меньше (и более сферические), чем они были раньше, когда они были диффузными газовыми облаками, им потребуется много времени, чтобы излучать всю эту тепловую энергию через их поверхность. Кельвин был ведущим экспертом в мире по механике того, как это произойдет, и механизм Кельвина-Гельмгольца назван в честь его работы по этому вопросу. Кельвин подсчитал, что для такого объекта, как Солнце, время жизни для испускания такого количества энергии составляет порядка десятков миллионов лет: где-то между 20 и 100 миллионами лет, если быть более точным.
К сожалению, это тоже должно быть ошибкой! Есть звезды, которые получают энергию от гравитационного сжатия, но это белые карлики, а не такие звезды, как Солнце. Кельвиновский возраст Солнца (и звезд) был просто слишком мал, чтобы объяснить то, что мы наблюдали, и, таким образом, потребовались бы поколения - и открытие нового набора сил, ядерных сил - , чтобы решить этот вопрос.
А пока мы даже не знали, из чего сделано Солнце. В то время считалось, хотите верьте, хотите нет, что Солнце состоит почти из тех же элементов, что и Земля! Хотя это может показаться вам немного абсурдным, рассмотрите следующее доказательство.
Каждый элемент периодической таблицы - который был хорошо изучен в то время - имеет характерный спектр. Когда эти атомы нагреваются, переходы обратно в низкоэнергетические состояния вызывают эмиссионные линии, а когда на них падает фоновый мультиспектральный свет, они поглощают энергию на тех же самых длинах волн. Таким образом, если бы мы наблюдали Солнце на всех этих отдельных длинах волн, мы могли бы выяснить, какие элементы присутствуют в его самых внешних слоях по характеристикам его поглощения.
Этот метод известен как спектроскопия, когда свет от объекта разбивается на отдельные длины волн для дальнейшего изучения. Когда мы проделаем это с Солнцем, вот что мы обнаружим.
В основном, это те же элементы, что и на Земле. Но что именно заставляет эти линии появляться с той относительной силой, с которой они появляются?Например, вы можете заметить, что некоторые из этих линий поглощения очень узкие, а некоторые очень, очень глубокие и сильные. Присмотритесь к самой сильной линии поглощения в видимом спектре, которая возникает на длине волны 6563 Ангстрем.
Что определяет силу этих линий, а также относительную слабость окружающих их линий? Оказывается, есть два фактора, один из которых очевиден: чем больше у вас элемента, тем сильнее будет линия поглощения. Эта конкретная длина волны - 6563 Å - соответствует хорошо известной линии водорода.
Но есть второй фактор, который необходимо понимать, чтобы правильно определить силу этих линий: уровень ионизации присутствующих атомов.
Разные атомы теряют электрон (или несколько электронов) при разных энергиях. Таким образом, каждый элемент не только имеет характерный спектр, связанный с ним, но и может существовать в ряде различных ионизированных состояний (отсутствует один электрон, два, три и т. д.), каждый из которых имеет свой собственный уникальный спектр!
Поскольку энергия - это единственное, что определяет состояние ионизации атомов, это означает, что разные температуры приведут к разным относительным уровням ионизации и, следовательно, к разным относительным уровням поглощения.
Поэтому, когда мы смотрим на звезды - такие как Солнце - мы знаем, что они бывают самых разных типов, так как взгляд в любой телескоп или бинокль немедленно покажет вам, если это не так. не видно невооруженным глазом.
Эти звезды, в частности, имеют поразительно разные цвета, что говорит нам о том, что - по крайней мере на их поверхности - они существуют при совершенно разных температурах. Поскольку все горячие объекты излучают излучение одного и того же типа (черного тела), когда мы видим звезды разных цветов, мы на самом деле обнаруживаем разницу температур между ними: голубые звезды горячее, а красные звезды холоднее.
В конце концов, это - как выяснила Энни Джамп Кэннон - почему мы классифицируем звезды так, как мы это делаем в наше время, с самыми горячими и голубыми звездами (звездами O-типа) на одном конце и самые крутые и самые красные звезды (звезды М-типа) на другом.
Но мы всегда классифицировали звезды не так. В схеме именования есть подсказка, потому что, если бы вы всегда классифицировали звезды по температуре, вы могли бы ожидать, что порядок будет выглядеть примерно так: «ABCDEFG» вместо «OBAFGKM», верно?
Ну, тут есть история. Раньше, до этой современной схемы классификации, мы вместо этого смотрели на относительную силу линий поглощения в звезде и классифицировали их по тому, какие спектральные линии проявлялись или не проявлялись. И закономерность далеко не очевидна.
При определенных температурах появляются и исчезают разные линии, так как атомы в своем основном состоянии не способны совершать определенные атомные переходы, а полностью ионизированные атомы не имеют линий поглощения! Поэтому, когда вы измеряете линию поглощения в звезде, вам нужно понимать, какова ее температура (и, следовательно, каковы ее ионизационные свойства), чтобы правильно сделать вывод об относительном содержании элементов в ней.
И если мы вернемся к солнечному спектру, зная, что представляют собой различные атомы, их атомные спектры и их энергии/свойства ионизации, что мы узнаем из этого?
Что, на самом деле, элементы, обнаруженные на Солнце, почти такие же, как и элементы, обнаруженные на Земле, за двумя основными исключениями: гелия и водорода было гораздо больше, чем на Земле. Земля. Гелия на Солнце было во много тысяч раз больше, чем здесь, на Земле, а водорода было примерно в один миллион раз больше на Солнце, что делало его самым общий элемент там далеко.
Только это совместное понимание - того, как связаны цвет и температура, как температура влияет на ионизацию и как интенсивность линий поглощения является функцией ионизации - , позволило нам понять относительное содержание элементов в звезде.
Знаете, кто тот ученый, который все это собрал? Дам вам подсказку: это была 25-летняя женщина, которой так и не дали должного признания.
Познакомьтесь с Сесилией Пейн (позже Сесилией Пейн-Гапошкин), которая выполнила эту работу для своей докторской диссертации. диссертация еще в 1925 году! (Астроном Отто Струве назвал это «несомненно самой блестящей докторской диссертацией, когда-либо написанной по астрономии.») Всего лишь вторая женщина, получившая докторскую степень. в астрономии через обсерваторию Гарвардского колледжа (куда ей пришлось переехать, чтобы заработать один; ее первоначальная альма-матер, Кембридж, не присуждала докторские степени женщинам до 1948 года), она сделала замечательную карьеру астронома, став первой женщиной-председателем. кафедры в Гарварде, первая женщина-профессор в Гарварде и источник вдохновения для поколений астрономов, мужчин и женщин.
Исторически Генри Норрису Расселу («Расселу» Герцшпрунга-Рассела) часто приписывали заслугу в открытии того, что Солнце в основном состоит из водорода, поскольку он отговаривал Пейн от публикации ее заключения - назвал это «невозможным» - и сам заявил об этом четыре года спустя.
Пусть так больше не будет! Это было блестящее открытие Сесилии Пейн, и она заслуживает полной похвалы за это. Сила линий поглощения в сочетании с температурой звезд и известными ионизационными свойствами атомов приводит к неизбежному выводу: Солнце состоит преимущественно из водорода! Спустя годы мы выяснили, что именно ядерный синтез этих ядер водорода в гелий питал Солнце и большинство звезд, но все это стало возможным благодаря Сесилии Пейн и ее удивительному пониманию работы и состава звезды.
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в Scienceblogs!