Звезда по имени тайна: чего мы до сих пор не знаем о Солнце

Прославленный астроном Фред Хойл однажды обронил: «В принципе, звезда имеет довольно простую структуру». Его коллега профессор Редман парировал: «Вы бы тоже выглядели довольно простым, Фред, с расстояния в десять парсек». И действительно, изучение Солнца с дистанции в миллионные доли парсека убеждает астрономов, что наша звезда совсем не проста (а если так, то и другие вряд ли проще).

Солнце — это ослепительный во всех смыслах вызов нашей способности познавать мир. Оно пристально изучается всеми возможными способами, от старых добрых оптических наблюдений до улавливания солнечных нейтрино, и тем не менее все еще хранит немало тайн.

Обыкновенная, но родная

Не хотелось бы создавать впечатления, будто Солнце — сплошное белое пятно в научной картине мира. Разумеется, мы знаем о нем очень многое. Даже в очень сжатом виде эти знания, будучи записаны в одну книгу, составили бы несколько увесистых томов.

Попробуем перечислить тезисно самое важное. Солнце в сто с лишним раз больше Земли по диаметру и в 330 тысяч раз — по массе. Температура на его поверхности — 5500 градусов Цельсия, а в центре — 15 миллионов. Солнцу около пяти миллиардов лет. Источник энергии светила — термоядерные реакции, ежесекундно превращающие 600 миллионов тонн водорода в гелий. Этого топлива звезде хватит еще примерно на пять миллиардов лет, то есть сейчас оно находится на середине жизненного пути. В целом Солнце — это типичная звезда спектрального класса G, середнячок во всех отношениях.

Достаточно хорошо изучена работа Солнца как «термоядерного обогревателя» — главный процесс, которому Солнце (а заодно и мы) обязаны своим существованием. В центре звезды идут термоядерные реакции. В этих реакциях рождаются фотоны. Давление этого излучения буквально распирает Солнце изнутри и не дает гравитации сжимать его. Путь фотона к поверхности (фотосфере) занимает десятки тысяч лет: он бессчетное количество раз поглощается и вновь переизлучается веществом. Достигнув фотосферы, свет наконец вырывается на просторы космоса, в том числе и для того, чтобы обогреть Землю.

Но это, так сказать, основная деятельность светила. Она сопровождается великим множеством побочных явлений. И вот они зачастую загадочны.

Вопрос короны

Одна из самых знаменитых загадок Солнца связана с температурой короны. Корона — это внешний разреженный слой атмосферы Солнца. Она дальше всего от центрального источника тепла и, казалось бы, должна быть относительно прохладной. Но не тут-то было. Температура подстилающего корону слоя — хромосферы — измеряется десятками тысяч градусов. А вот в тонком (какие-то сотни километров) переходном слое между хромосферой и короной температура внезапно возрастает до миллионов градусов!

Почему? Что греет корону? Бесконечный трескучий фейерверк микроскопических вспышек? Или текущий сквозь плазму электрический ток? А может быть, волны вроде звуковых (для искушенных читателей уточним: магнитогидродинамические)? Все три гипотезы имеют в научном мире весьма солидных сторонников. Это и означает, что точно не знает никто. Периодически СМИ облетают новости с заголовком вроде «Ученые наконец раскрыли тайну высокой температуры короны». Они были бы более волнующими, если бы эта тайна уже многие десятилетия не «раскрывалась» с завидной регулярностью.

Ветер знает

Еще одна огромная во всех смыслах загадка — солнечный ветер. Это поток заряженных частиц, в основном протонов и электронов, постоянно истекающий из Солнца. Солнечный ветер бывает двух типов: медленный (300—400 километров в секунду) и быстрый (700—800 километров в секунду). Не правда ли, даже «медленный» ветер не столь уж нетороплив?

Солнечный ветер буквально заполняет собой Солнечную систему. Правда, он очень разреженный: на кубический сантиметр околоземного пространства приходится всего 5—10 частиц солнечного ветра. Для сравнения: в стакане воды больше атомов, чем стаканов воды в Мировом океане. То, что для астронома поток вещества, земной физик с полным правом назовет вакуумом.

Главное, чего мы не знаем о солнечном ветре — это должны ли мы удивляться его существованию. С одной стороны, корона очень горячая, хоть и неизвестно почему. Кажется естественным, что часть вещества улетучивается из нее в космос, как пар из кастрюли.

Но на другой чаше весов — колоссальная гравитация Солнца. И мы не знаем, кто должен победить в этом противоборстве. Хороших уравнений, описывающих поток солнечного ветра, просто нет. А те, что есть, решаются в обе стороны. Иными словами, они описывают как истечение вещества из звезды, так и его падение на звезду. Если астрономы когда-нибудь откроют Солнце 2.0, вполне возможно, что оно будет поглощать окружающее вещество, а не распылять в космос собственное.

Впрочем, проблему можно решить, добавив солнечному ветру дополнительный источник энергии. То есть предположив, что вещество покидает корону не только за счет «испарения»: его что-то дополнительно выталкивает. Если бы еще знать, что именно… Как насчет плазменных волн в короне?

Еще одна загадка солнечного ветра — его турбулентность. Он не течет спокойными струями, как равнинная река. Вместо этого плазма бурлит и чуть ли не пенится, словно горный поток. Почему? Наверное, это как-то связано с механизмом его истечения — жаль, что мы его пока не знаем.

Неспокойное светило

Есть у астрономов вопросы и к магнитному полю Солнца. Правда, нет ничего удивительного в том, что это поле у звезды есть. Магнитное поле порождается электрическими токами, то есть упорядоченным движением зарядов. А светило по большей части состоит не из нейтральных атомов, а из «голых» протонов и электронов. Стоит привести их в упорядоченное движение, и получится ток.

Удивительно другое: магнитные полюса Солнца дрейфуют так быстро, что каждые 11 лет северный и южный полюса меняются местами. Другими словами, есть 22-летний цикл: северный магнитный полюс возвращается обратно на то же место каждые 22 года. Почему это происходит вообще и почему период составляет именно 22 года? Отвечающие на этот вопрос модели, конечно, есть, как же без них. Но в них еще много не проясненных деталей.

С 22-летним циклом смены полюсов связан знаменитый 11-летний цикл солнечной активности. Его самый лучший индикатор — пятна (небольшие по меркам Солнца области пониженной температуры).

Пока магнитные полюса Солнца находятся вблизи полюсов вращения, количество пятен на нашей звезде минимально — это минимум 11-летнего цикла. По мере того, как магнитные полюса дрейфуют к экватору, число пятен возрастает. Оно достигает максимума, когда магнитные полюса светила находятся на его экваторе — это и есть максимум 11-летнего цикла. Пройдя экватор, магнитные полюса вновь приближаются к географическим, только уже к противоположным. И число пятен вновь падает до минимума.

Таким образом, 11-летний цикл активности — это половина 22-летнего цикла переполюсовки. Ему подчиняются не только пятна, но и вспышки, выбросы вещества в космос и другие явления. Тем досаднее, что мы толком не знаем природы этого цикла. Загадок добавляет то, что цикл не строго регулярный: минимумы и максимумы порой бывают необычно глубокими или длительными.

Когда Солнце плюется

Солнечная активность вообще полна тайн. Из всех ее многочисленных проявлений выберем явление, оказывающее, пожалуй, самое заметное влияние на нашу планету. Это выбросы корональной массы (coronal mass ejection или CME). CME — это исторгаемые Солнцем облака плазмы массой в миллиарды тонн. Они плотнее, чем фоновый солнечный ветер, но все же очень разрежены по земным меркам. По объему такие облака значительно превосходят Землю и регулярно накрывают ее «с головой». Подобное «купание» может вызвать магнитную бурю. Поэтому CME интересны не только далеким от земных забот астрономам, но и практикам.

Статистика показывает, что выбросы корональной массы тесно связаны со вспышками. Сильные вспышки зачастую сопровождаются CME и, следовательно, магнитными бурями (что и притягивает к ним внимание публики, не всегда соразмерное). Но какова природа этой связи? Опять-таки загадка. Может быть, вспышка вызывает выброс? Или наоборот, вызывается им? А может быть, вспышка и выброс — два следствия одной причины? Как водится, все три гипотезы имеют сторонников. Казалось бы, достаточно посмотреть, что происходит раньше: вспышка или выброс вещества. Но даже на этот счет наблюдательные данные удивительно разноречивы. В целом похоже, что бывает и так, и сяк.

В общем, за что ни возьмись — за корону ли, за солнечный ветер или солнечную активность — загадки посыплются как из мешка. Похоже, Солнце обеспечит работой еще не одно поколение исследователей.