Лекция, прочитнная Дмитрием Вибе на VI Фестивале науки 2011 г. в городе Москве
Разговор сегодня пойдёт о нашем дневном светиле, о Солнце, вокруг которого вращаются планеты Солнечной системы. Если вам когда-нибудь попадались в руки учебники астрономии, то вы могли прочитать в них, что Солнце – это звезда совершенно обычная, ничем не примечательная, звезда, которых во Вселенной большинство. Сегодня я попробую рассказать о том, насколько это верно.
Сначала небольшое лирическое отступление, связанное с тем, что и Солнце, и другие космические объекты довольно часто проникают в массовые научные новости. О них любят писать в газетах, часто говорят по радио, снимают что-нибудь заковыристое по телевидению. И эта информация, которую вы получаете откуда-нибудь из СМИ или со страниц из Интернета, в лучшем случае переврана, в худшем — полностью выдумана. Подвох заключается в том, что когда вы читаете научные новости, вы думаете, что это писал какой-то специалист, что там все проверено и перепроверено. На самом деле это не так. В большинстве средств массовой информации содержание научных новостей абсолютно никто не проверяет, за их правдивость или ложность никто никогда не несет никакой ответственности, и по той причине, что журналисту не нужно будет отвечать за свои слова, к ученым, экспертам он относит любого человека, который согласился с ним разговаривать, который согласился озвучить ту чушь, которую журналист хочет написать в своей заметке.
Вот, пожалуйста, пример. Кого использует в качестве экспертов по астрономическим проблемам канал ТВЦ (не какой-нибудь мистический, а федеральный канал)? Президент Русского общества по изучению проблем Атлантиды. Конечно, астролог, Александр Зараев, писатель-фантаст Ситчин, в правом ряду два товарища — журналисты даже затруднились идентифицировать, кто они такие, назвали просто: эксперт и исследователь. В какой области исследователь? Какой эксперт? Есть и другие эксперты, которые неизвестно откуда пришли, неизвестно какое имеют образование. Наше телевидение именно их часто привлекает для объяснения каких-то астрономических проблем, загадок, и они, конечно, не задерживаются, чтобы сказать что-нибудь такое, что привлечет зрителей, но при этом не имеет никакого отношения к реальности. Обычному зрителю, который не искушен во всех этих проблемах, трудно бывает понять, почему он должен слушать, например, меня и не должен слушать всех остальных.
На этом фоне всяческие уфологии, астрологии кажутся нормальными науками, в магазинах на одних и тех же полках стоят книги с астрологией, физикой, геологией, и, конечно, человеку, который не искушен в этих вопросах, кажется, что во всех этих случаях он имеет дело с нормальными книгами и экспертами.
К сожалению, многие новости не только перевраны, они еще очень часто имеют панический настрой. Вот, пожалуйста, примеры за последний год: гигантский астероид Клеопатра (пишут, между прочим, Аргументы и факты) слетел со своей орбиты, повернул к Земле и летит к ней, чтобы ее полностью разрушить. Вы, наверное, слышали, что 19 марта было несколько особенное полнолуние: Луна чуть ближе подошла к Земле, чем обычно. Журналистам этого мало, поэтому они написали, что Земле в этой связи грозит страшная катастрофа. Заметили вы 19 марта что-нибудь катастрофическое?
Плохо то, что они не только пишут эту чушь. Они обязательно ссылаются на ученых. «По утверждению ряда ученых, полнолуние приведет к катастрофе». О том, что Клеопатра свернула со своей траектории, заявил не кто-нибудь, а бразильский астроном. Какие-то непонятные индийские астрономы угрожают взрывом близкой к нам звезды, которая тоже уничтожит все живое на Земле. Нам грозит некий солнечный эффект Каррингтона, предупредили польские и американские ученые. Что это такое, никто не знает, но все согласны, что это смертельное явление. Беда еще в том, что приближается 2012 год, от которого почему-то сносит крышу у очень и очень многих людей, особенно у журналистов, и есть все основания полагать, что с приближением декабря 2012 года поток панических новостей в СМИ будет возрастать.
Солнце в этом потоке занимает довольно заметное место. Почему-то сейчас распространяются слухи, что 2012 год грозит нам какими-то немыслимыми солнечными вспышками, которые в лучшем случае превратят жизнь на Земле в хаос, в худшем — уничтожат все живое на Земле. Самая смешная угроза со стороны Солнца, о которой время от времени вспоминают СМИ, это информация о взрыве Солнца через 6 лет. Она оказалась довольно живучей. Первое сообщение у меня от 2002 года, потом несколько лет тишины, в 2005-м она опять появилась, последнее сообщение от 2010 года. Понятно, что с 2002 года шесть лет уже прошло, то есть Солнце должно было уже взорваться, но это никого не останавливает, никого не напрягает, и я осмелюсь предсказать, что пройдет еще год-два, и нас опять начнут пугать взрывом Солнца через 6 лет.
К этому всему можно отнестись, как к забавному анекдоту, если бы по крайней мере некоторые, а возможно даже очень многие люди не воспринимали это все всерьез. Вот пишет человек про упомянутый взрыв Солнца через 6 лет: «Прочитала про солнечный взрыв на сайте Вестей. И поверила – не могут же официальные новости так врать». Не может же такого быть! И только случайно человек наткнулся на правильную информацию и успокоился. Я думаю, что таких паникующих людей достаточно много, которые воспринимают все эти страхи всерьез, и не подозревают, что за ними не стоит никакая абсолютно реальность, а стоит просто буйная фантазия журналиста, который это дело написал. Я постараюсь сегодня развеять эти страхи насчет Солнца.
Понятно, почему Солнце привлекает так много внимания. Это самый заметный объект в нашем мире, источник света, источник тепла. У него есть и утилитарное применение – Солнце лежит в основе нашего календаря, мы со времен каменного века ведем счет времени, равняясь на Солнце, в виде суток и годов. Вот эта фотография сделана страшным летом прошлого 2010 года, когда нас окутал дым, ничего через этот дым не было видно, но Солнышко тем не менее просвечивало. Даже этот дым не смог его заслонить.
С одной стороны, яркость Солнца, с другой – его повседневность, привели к тому, что с одной стороны оно практически во всех мифологиях так или иначе обожествлялось, причем занимало какие-то руководящие места, с другой стороны, это особенный бог, он не является землянам от случая к случаю, а маячит перед нами постоянно. Притом с регулярностью, которая позволяет за этим богом следить и рассчитывать его траекторию. Поэтому уже очень давно, многие тысячелетия назад, люди рассматривали Солнце не только как бога, не только, как объект для поклонения, но и как объект для исследования.
Поначалу такой яркий объект почему-то не занял центрального места в солнечной системе, но, начиная с Коперника, с 1543 года, постепенно в науку проникло представление о том, что Солнце – это самое главное тело в Солнечной системе, и оно должно занимать в ней центральное место. А все остальные планеты должны обращаться вокруг него. Но при этом вопрос: насколько Солнце обычно или необычно, не стоял, поскольку считалось, что Солнце существует в единственном экземпляре, а прочие звезды – это просто какие-то яркие точки на небосводе, которые непонятно зачем нужны и исследованию не подлежат.
Перелом наступил в 16 веке. Связан он был, в частности, со знаменитым датским ученым Тихо Браге, который, увидев взрыв сверхновой звезды в 1572 году, понял, что на небе могут происходить какие-то изменения, и не только Солнце и планеты, но и звездный мир тоже может быть объектом для исследования.
Французский философ Рене Декарт одним из первых высказал мысль о том, что Солнце и звезды — родственные между собой объекты. Правда, он был философ, толком сформулировать мысль не смог, но у него было такое представление: Солнце окружено небом, но точно так же небом окружена каждая звезда, и в этом смысле все звезды похожи друг на друга.
Другой известный ученый, Вильям Гершель, первым построил карту распределения звезд вокруг Солнца, уже исходя из предположения, что Солнце и звезды – это родственные объекты. Тогда же были высказаны первые предположения о том, что из себя представляет Солнце. Тогда были проведены наблюдения солнечных пятен: на этой современной фотографии солнечного пятна видно, оно состоит из темной центральной части и более светлой окружающей его полутени. Например, Гершель предполагал, что внутренность у Солнца холодная, а солнечные пятна – это дырки в его горячей атмосфере, через которые мы смотрим на холодное темное ядро.
Но настоящее изучение Солнца и звезд началось в 19 веке, когда были замечены многие очень интересные особенности Солнца, которые сейчас играют ключевую роль в понимании его природы. Тогда же были получены научные доказательства того, что Солнце и звезды – это родственные объекты, поэтому имеет смысл говорить об их сравнении. Но попутно выяснилось, что звезды сами по себе очень и очень разные. Поэтому, если мы говорим, что Солнце – это такая же звезда, как и все прочие, то мы вправе следом задать вопрос: такая же – это какая?
Вот, что мы знаем о Солнце на сегодняшний день. Масса – 2 на 10 в 33й степени грамма, то есть это 2 с 33-мя нулями. В масштабах Солнечной системы Солнце – довольно-таки тяжелый объект. Светимость у него тоже велика – 4 с 26-ю нулями, если выражать ее в ваттах. Радиус – 700 тысяч километров, состоит оно в основном из водорода, еще немножко гелия и еще совсем немножечко других элементов Периодической таблицы Менделеева. Солнце вращается в ту же сторону, что и все планеты, примерно в той же плоскости и совершает полный оборот примерно за месяц.
В конце 19 века люди уже задумывались о том, какая энергия питает Солнце, за счет чего Солнце светит, за счет чего оно нас обеспечивает теплом. Здесь показаны портреты людей, которые внесли важный вклад в исследование этой проблемы.
Вплоть до 30-х годов ХХ века считалось, что источником энергии Солнца является гравитационное сжатие. Вещество падает на Солнце, при падении разогревается, раскаляется, и это раскаленное вещество является источником солнечной энергии. Герман Гельмгольц и другие ученые примерно оценили, сколько может прожить Солнце, используя этот источник энергии. Оказалось, что если Солнце светит за счет энергии сжатия, то его возраст должен составлять примерно 20 миллионов лет. Однако к 20-30-м годам ХХ века с этой оценкой возраста Солнца категорически перестали соглашаться геологи. И до этого было понятно, что возраст Земли достаточно велик, но к 30м годам было установлено, что он превышает 4,5 миллиарда лет. Трудно было представить себе, что маленькая планетка Земля, которая живет 4,5 миллиарда лет, вращается вокруг гигантской звезды, которая прожила всего 10-20 миллионов лет.
В это время знаменитый английский астрофизик Артур Эддингтон высказал предположение, что источником энергии Солнца являются термоядерные реакции. Гравитация обеспечила только изначальный разогрев Солнца. Потом, когда Солнце разогрелось до температуры в десятки миллионов градусов, там загорелись термоядерные реакции, и дальше источником солнечной энергии являются именно они. Именно термоядерные реакции способны обеспечивать жизнь Солнца на протяжении примерно 10 миллиардов лет. Пять миллиардов лет наше Солнышко уже использовало из своего жизненного срока, и примерно столько же ему осталось.
Здесь показана реакция, которая приводит к выделению энергии на Солнце. Она состоит из нескольких шагов, но итог сводится к тому, что водород превращается в гелий. Изначально Солнце в основном состояло из водорода, но постепенно в его центре растет гелиевое ядро. Что интересно – мы сейчас довольно хорошо умеем исследовать не только наружные слои Солнца, но и его внутреннюю область, благодаря использованию методов сейсмологии. До сих пор сейсмология использовалась только для исследования внутреннего строения Земли, но теперь она активно применяется еще и для исследования недр Солнца и других звезд. И те данные, которые гелиосейсмология (солнечная сейсмология) нам приносит о внутреннем строении Солнца, очень хорошо согласуются с представлениями о том, что его свечение обеспечивают термоядерные реакции.
Насколько по массе Солнце похоже на другие звезды? Прежде всего – о том, каких масс вообще бывают звезды. Самые маленькие звезды имеют массу порядка 0.1 массы солнца, то есть они в 10 раз менее массивны, чем Солнце. Если будущая звездочка меньше, чем эта масса, она просто не разогревается до нужной температуры, и термоядерные реакции в ней не загораются.
Существует ли максимальная масса звезд? Сейчас считается, что не могут существовать звезды, которые в 150 раз более массивны, чем Солнце. Но этот вопрос еще не закрыт, возможно, во Вселенной могут существовать и более мощные светила с массой, превышающей массу Солнца в тысячу раз, но никаких достоверных сведений об этом у нас пока нет.
Звезды разных масс присутствуют во Вселенной в разных количествах. Чем меньше масса звезды, тем таких звезд больше. Естественно, поскольку существуют звезды, гораздо менее массивные, чем Солнце, в общем списке звезд гораздо больше таких вот маломассивных светил. Если взять одну звезду, для примера, с массой порядка сотни солнечных масс, то окажется, что на каждую такую звезду приходится около 700 звезд, подобных Солнцу, и около 9 тысяч звезд, которые уступают Солнцу по массе. Чтобы в этом убедиться, можно посмотреть на звезды, которые окружают Солнце. В пределах примерно 15 световых лет от Солнца нам сейчас известно 65 звезд, и из этих 65-ти 50 звезд имеют массу меньшую, чем масса Солнца. То есть нас окружают в основном очень тусклые, очень маленькие, очень холодные светила, непохожие на Солнце.
Вот еще более подробная таблица. Здесь представлен уже больший объем пространства, радиусом 30 световых лет, и здесь тоже видно, что больше всего здесь звезд, существенно менее массивных, чем Солнце, они обозначены буквой М. Из 366 объектов, которые нам известны вблизи Солнца, 246 – как раз такие маленькие тусклые светила.
Иными словами, если говорить с точки зрения массы, то Солнце – не такая уж типичная звезда. Мы живем возле звезды, которая, в общем, довольно ярка по сравнению с другими звездами, более массивна по сравнению с большинством других звезд и более горяча по сравнению с большинством других звезд. Так что в этом отношении не такая уж Солнце и типичная звезда. И если нам хочется в звездном мире найти звезду, которая похожа на Солнце, то в ближайших наших окрестностях мы ее не найдем, нужно смотреть дальше.
Зачем нам искать такие звезды? Из соображений космической безопасности. Мы знаем, что солнечная активность может быть опасна на Земле. Мы знаем, что она способна причинять некий ущерб, но при этом наши возможности по наблюдению Солнца довольно ограничены. Мы следим за Солнышком всего на протяжении 400 лет и не можем быть уверены, что на каких-то более длительных временах на Солнце не происходят катаклизмы. Но мы сможем решить эту проблему, если будем следить за другими звездами, которые похожи на Солнце. При этом нужно сначала решить, какие именно звезды мы будем считать солнечными близнецами.
Понятно, что нужно искать звезды примерно с той же массой. Но можно подумать и о каких-то других параметрах, не только о массе, подумать о химическом составе, о возрасте и о других.
Химический состав Солнца оказывается для Вселенной вполне типичным. Ничего особенного оно из себя в этом смысле не представляет. Тот состав, который я перечислил – много водорода, чуть меньше гелия и мало всего остального – типичен и для нашей Галактики, и для прочих галактик.
Положение, которое Солнце занимает в нашей Галактике, тоже ничего необычного из себя не представляет. Живем мы в галактике Млечный путь. Это гигантская система, в которую входят сотни миллиардов звезд. Она очень плоская: по соотношению толщины и диаметра примерно похожа на компакт-диск, а может быть даже еще более тонкая. В этой системе среди множества других звезд обитает наше Солнце, и никакого особенного положения в этой системе не занимает.
Интересная особенность Солнца заключается в том, что это звезда одиночная. Если мы посмотрим вокруг себя, то увидим, что довольно много звезд входят в состав звездных пар, звездных троек и иногда даже систем более высокой кратности. В этом отношении Солнце несколько необычно. У Солнца нет спутника. Солнце – одиночная звезда. И таких звезд в Галактике по разным оценкам разное количество, но примерно половина. То есть, скажем, с вероятностью 12 мы могли оказаться и возле двойной звезды, но тем не менее оказались возле звезды-одиночки.
С точки зрения вращения и магнитного поля наше Солнце тоже ничего особенного не представляет. На этой картинке разными размерами показаны звезды с разным магнитным полем. Вот это звезды с очень сильным магнитным полем, а вот здесь находится Солнышко. Солнышко здесь маленькое, магнитное поле у него слабенькое. И это нам тоже хорошо, потому что именно магнитное поле является источником солнечной активности. Наблюдая за другими солнцеподобными звездами разных возрастов, мы знаем, что активность Солнца со временем будет ослабевать.
Но это, так сказать, общее течение, а если говорить о более сиюминутных проблемах, то тут ситуация менее определенна. Мы знаем сейчас, что солнечная активность связана с появлением солнечных пятен, что вокруг пятен происходят солнечные вспышки, которые могут быть для нас потенциально опасны, и знаем мы, что солнечные пятна на Солнце появляются с периодами в 11 лет. Это цикл солнечной активности, который прослеживается уже с 17 века, с того момента, когда начались наблюдения Солнца в телескоп.
Раз в 11 лет активность Солнца повышается, потом спадает, потом снова повышается, снова спадает. Можно также увидеть более длительную периодичность, примерно с периодом около 100 лет, и мы сейчас находимся на ниспадающем участке этой долговременной периодичности активности Солнца. К сожалению, на более длительных временах мы не знаем, как вело себя Солнце, поскольку наблюдения солнечных пятен не было до середины 17 века,
Поэтому нам приходится судить о солнечной активности по косвенным показателям, в частности, по содержанию радиоактивных элементов во льдах, в деревьях, в старых стволах. И тут вот есть такая интересная особенность, которая называется Маундеровским минимумом. Можно себе представить каприз природы. В 1609 году Галилей изобрел телескоп, в начале 17 века начались наблюдения солнечных пятен в телескоп, и вскоре после этого пятна с Солнца пропали. И не было их на протяжении почти 50 лет. Точнее появлялись они очень и очень редко и снова начали появляться уже только в 18 веке. Вот этот вот провал в количестве солнечных пятен называется минимум Маундера. Непосредственно перед ним, где-то в 15-16-м веках, был еще один провал солнечной активности, минимум Шперера. Интересно, что именно на этот длительный провал солнечной активности приходится так называемый Малый ледниковый период – время, когда в Европе были очень холодные зимы, когда замерзали реки в Европе, замерзала Темза, на которой проводились ледовые ярмарки, которых сейчас не бывает. И вот этот малый ледниковый период совпал с падением активности Солнца. Это как будто бы говорит о том, что между климатом и солнечной активностью есть какая-то связь, но однозначно понять ее причины пока не удается.
Ну и наконец самое страшное, что может нам угрожать, это сильные солнечные вспышки. Здесь тоже интересный каприз истории. Первая замеченная солнечная вспышка оказалась самой сильной за всю историю этих наблюдений. Это так называемое явление Кэррингтона, которое произошло 1-2 сентября 1859 года. Кэррингтон был астрономом-любителем, он наблюдал солнечные пятна, наблюдал поверхность Солнца вблизи солнечных пятен, и вот во время одного из своих наблюдений 1 сентября 1859 года вблизи солнечных пятен, которые он здесь нарисовал, обнаружил две очень яркие точки. Он побежал, чтобы найти кого-нибудь и показать это замечательное явление, но когда он через минуту вернулся, ничего уже не было. Но по прошествии нескольких часов взбесились магнитные обсерватории. Вот здесь внизу показан график магнитного поля Земли. 1 сентября он тихонечко развивается, потом приближается 2 сентября, и график уходит вверх. Аппаратуры не хватило, чтобы записать мощность этой магнитной бури. Поэтому мы до сих пор не знаем, какова была мощность этой вспышки Кэррингтона. Но это было еще не все. По всей территории Соединенных Штатов взбесились телеграфные аппараты. Они начали работать без участия операторов, начали отбивать какие-то сигналы, в них загоралась телеграфная лента, испуганные операторы отключали аппараты от батареи – ничего не менялось после этого, то есть был такой совершеннейший полтергейст по всему телеграфу. И еще интересно, что вплоть до Карибского моря наблюдались и полярные сияния. То есть они протянулись чуть ли не до экватора. Больше ничего подобного вспышкам Кэррингтона мы с тех пор не наблюдали, хотя прошло уже полтора столетия.
Но другие сильные вспышки все-таки были. Наиболее известна вспышка 9 марта 1989 года, которая выбила электричество в Канаде – там миллионы людей остались без электричества, Тут вот видны сгоревшие обмотки трансформаторов. В 2003 году была очень сильная вспышка, но она всего лишь на час отключила электричество в Швеции. В 2011 году тоже было несколько сильных вспышек, 9 августа была вспышка, буквально на днях тоже были сильные вспышки, но, к счастью, ни к каким неприятным последствиям они не привели: теперь мы знаем, что такое возможно, и готовимся. Теперь у нас имеется очень мощная служба Солнца, космические обсерватории, которые наблюдают не только за поверхностью Солнца, видимой с Земли. Есть два замечательных американских аппарата Стерео-А и Стерео-B, которые следят за Солнцем с боков. Благодаря этим аппаратам у нас впервые есть возможность одновременно наблюдать всю солнечную поверхность, а не только ту часть, которая видна с Земли.
Есть ли у нас гарантия того, что вспышка Кэррингтона не повторится? Есть ли у нас гарантия, что на Солнце не будут происходить более мощные вспышки? В этом отношении в 2000м году поступила тревожная информация. Группа ученых проанализировала другие звезды, похожие на Солнце, проанализировала наблюдения этих звезд и обнаружила, что на некоторых из них время от времени происходят вспышки, которые по энергетике превосходят солнечные в миллионы раз. И, поскольку эти звезды похожи на Солнце, возникло опасение, что Солнце тоже может нечто подобное для нас готовить, Но потом оказалось, что страхи эти напрасны. Все эти звезды оказались похожими на Солнце как на звезду, но они обладают планетными системами, которые очень сильно непохожи на планетную систему Солнца. У всех этих звезд есть планеты, подобные Юпитеру, которые вращаются на очень близких орбитах вокруг этих звезд. Скорее всего, именно они сводят с ума магнитное поле звезд и приводят к таким мегавспышкам. Наш Юпитер далеко от Солнца, поэтому мы можем надеяться, что ничего особо страшного нам не грозит.
Раз уж я заговорил о планетах, можно сказать еще о том, насколько типична планетная система вокруг Солнца. Вот здесь пока вопрос открыт. Большая часть планетных систем, которые нам на сегодняшний день известны, на Солнечную систему не похожи.
Можно сделать следующее резюме. Если смотреть в целом по Галактике, то Солнце – это звезда нерядовая. Обычная звезда Галактики – это тусклый, холодный, маленький красный карлик. Солнце – это звезда более горячая, более массивная, но среди других подобных звезд в этом же примерно диапазоне масс она ничем особенным не выделяется. Она совершенно обычная звезда спектрального класса G (желтый карлик). А вот как центр планетной системы с определенными свойствами, Солнце может все-таки оказаться в конечном итоге звездой нетипичной, но это имеет отношение не столько к солнечной активности, к солнечным свойствам, сколько к нашим шансам найти братьев по разуму.
Вибе Дмитрий Зигфридович, доктор физико-математических наук,
зав. отделом физики и эволюции звёзд Института астрономии РАН
