Кожен день, вже мільярди років, Сонце встає над горизонтом Землі. Воно в 150 мільйонах кілометрів від нас, але світить так яскраво в небі, що неможливо дивитися без ризику пошкодити очі. На поверхні Сонця температура сягає 5500 градусів - досить, щоб будь-який зонд зотлів задовго до того, як підлетить до поверхні. Коротше кажучи, Сонце занадто гаряче, щоб тримати його в кулаці. Але це не означає, що його не можна вивчати. У нашій галактиці більше 100 мільярдів зірок, які ми також не можемо відвідати. При цьому нам вдається шукати і знаходити способи їх вивчення.
Насправді, є декілька хитромудрих способів, які дозволили нам почати розгадувати таємниці зірок, розкиданих по всьому нічному небу, ніби вони знаходяться недалеко від нас. Як це можливо?
Почнемо з самого світла. Можливо, ми не можемо безпечно дивитися на Сонце, але наукові інструменти - цілком. Як ви знаєте, «білий» світло складається з усіх кольорів веселки, і ми можемо побачити ці кольори - від темно-червоного до фіолетового - якщо «розщепити» світло призмою.
У 1802 році англійський вчений Вільям Хайд Волластон виконав це зі світлом Сонця і виявив щось несподіване: темні лінії в спектрі. Через кілька років німецький оптик Йозеф фон Фраунгофер побудував спеціальний інструмент спектрометр для кращого розщеплення світла. І побачив ще більше цих цікавих темних ліній.
Незабаром вчені зрозуміли, що темні лінії проявилися там, де кольору зникли з спектра. Вони пропали, оскільки елементи в Сонце і навколо нього поглинають ці певні довжини хвиль світла. Темні лінії, виходить, вказали на присутність певних елементів, водню, натрію і кальцію.
Це надзвичайно розумне, красиве і просте відкриття миттєво розповіло нам про ключові елементи нашої найближчої зірки. Однак, як каже Пилип Подсядловскій, фізик Оксфордського університету, у такого підходу є свої обмеження. «Він може розповісти лише про склад поверхні, але не розповість нічого про склад в центрі Сонця», говорить він.
Наше розуміння масивного виходу енергії Сонця початок кристалізуватися на початку 20-го століття, коли припустили, що якщо атоми водню можуть зливатися разом, вони будуть створювати абсолютно новий елемент - гелій - і вивільняти енергію в цьому процесі. Стало очевидно, що Сонце багато воднем і гелієм і зобов'язана своєю могутністю переходу першого в останній. Однак цю ідею ще потрібно було підтвердити.
«У 1930-х люди зрозуміли, що Сонце, ймовірно, харчується енергією синтезу водню, але поки це залишалося суто теорією», пояснює Подсядловскій.
І тоді вивчення Сонця стало воістину дивним. Щоб краще зрозуміти зірку, яка дарує життя нашій планеті, нам потрібно було піти в підпілля. Нам довелося розташувати наші експерименти під горами. Так був спроектований японський детектор Супер-Каміоканде (Super K), між іншим, який видає на-гора прекрасні результати.
В 1000 м нижче поверхні знаходиться дивна брудна кімната. У ній знаходиться озеро надзвичайно чистої води і 13 000 сферичних об'єктів покривають стіни, підлогу під водою і стелю. І це не фантастична установка: так влаштований Super K, який допомагає нам зрозуміти принципи роботи Сонця.
Раз детектор так глибоко, очевидно, він був побудований не для виявлення світла. Замість цього він чекає особливі частинки, які народжуються в центрі нашої зірки і пролітають через речовина, як літак пролітає крізь повітря.
Через вас проходять трильйони частинок щомиті. Якби не було спеціальних детекторів, ми ніколи б не дізналися про це. Але Супер-К може вловлювати приблизно 40 часток в день, завдяки виявленню особливого світла, який народжується, коли ці частинки - нейтрино - взаємодіють з басейном чистої води.
Створений світ неймовірно сильний, та генерує свого роду ореол навколо нейтрино, і це гало можуть вловити феноменально чутливі детектори світла, в достатку наявні на стінах.
Спеціальні типи нейтрино, які визначаються за допомогою цього методу, є прямим свідченням того, що всередині Сонця відбувається термоядерний синтез водню в гелій. У нас немає іншого пояснення утворення нейтрино.
«Ви можете вловити лише невелику частку нейтрино, але після розрахувати, скільки нейтрино там повинно бути, спираючись на дійсні дані», говорить Подсядловскій.
Що ще більш дивно: ці нейтрино утворюються в процесі реакцій синтезу в центрі Сонця, а вже через вісім хвилин їх підхоплює детектор Супер-К. Вивчення нейтрино дозволяє спостерігати, що відбувається глибоко в надрах Сонця практично в режимі реального часу.
Якщо цього недостатньо, ми можемо навіть зобразити Сонце за допомогою цього методу. Цілком можливо створити знімки інтер'єру Сонця виключно з вимірів, зроблених в підпіллі, куди не може проникнути сонячне світло.
Саме цим займається Марі-Луїза Аліотті, фізик-ядерник з Університету Единбурга.
Що особливо складно в реакціях синтезу, пояснює Аліотті, так це «змусити» два атома погодитися на злиття. Можливість такого, незважаючи на трильйони атомів, що плавають повсюдно, мізерно мала.
Але у Сонця є дві переваги, які схиляють чашу на користь синтезу. Воно масивне, тому має гігантським числом атомів, і у нього також потужна гравітація, яка стискає водень в плазму: газоподібний водень знаходиться під таким потужним тиском, що електрони відокремлюються від протонів в ядрі. В такому середовищі реакція синтезу відбувається із задоволенням.
«У зірці типу Сонця ймовірність того, що в процесі ядерної реакції буде вивільнено значну кількість енергії, досить висока просто тому, що є безліч протонів, - пояснює Аліотті. - У лабораторії у нас немає такої кількості протонів, тому набагато важче вивчати подібні процеси ».
Проте Аліотті здатна експериментувати з синтезом в місцях на зразок Лабораторії підземної ядерної астрофізики (LUNA) в Італії. Ця робота дозволяє Аліотті і її колегам дізнаватися більше про те, як відбувається синтез - які продукти при цьому народжуються, як взаємодіють частинки.
Легко складається враження, що Сонце є постійним елементом, який буде світити із завидною рівнем сталості віки вічні. Але це не так. Насправді, у зірок є цикли і тривалість життя, яка залежить від їх розмірів і точних пропорцій елементів всередині них і може бути найрізноманітнішою.
В останні роки ми змогли дізнатися більше про те, як змінюється Сонце, вивчаючи деякі з його особливостей. Плями, наприклад, це темні тимчасові ділянки, які з'являються на поверхні Сонця час від часу. Зонди мали можливість точно вивчити, як багато радіації, включаючи видиме світло, випромінює Сонце протягом декількох років.
У 1980-х роках вчені, що працюють над місією Solar Maximum Mission, усвідомили, що протягом 10 років енергетичний вихід Сонця зменшувався, а потім знову зростав. Але що насправді здивувало їх, так це число сонячних плям, які відповідали цій активності: чим більше їх було, тим більше енергії вивільняло Сонце. Оскільки плями темніше і холодніше іншої частини сонячної поверхні, це було сюрпризом.
«Все виявилося навпаки, - каже Саймон Фостер з Імперського коледжу в Лондоні. - Було дуже дивно, що чим більше темних і холодних особливостей, тим Сонце гаряче ».
Зрештою, вчені виявили причину цього. На поверхні Сонця є спеціальні яскраві області - факели - які збігаються з сонячними плямами, але відрізняються від них, так що стають помітними й ті й ті. Саме ці смолоскипи вивільняють зайву енергію.
Поряд з плямами, можна також виявити сонячні спалахи - потужні спалахи матерії, що виривається з поверхні Сонця після нарощування магнітної енергії. Оскільки зірки випромінюють радіацію по всьому електромагнітного спектру, ці спалахи можна виявити рентгенівськими детекторами. Але є й інші способи. Наприклад, прослуховування радіохвиль - іншої форми електромагнітного випромінювання.
Величезний радіотелескоп Jodrell Bank в Англії, перший в своєму роді, вміє виявляти сонячні спалахи, говорить Тім О'Брайен з Університету Манчестера, який працює на телескопі.
Радіотелескопи вельми непогано виділяють цікаві моменти життя зірки. Коли зірка поводиться «нормально», не проявляючи зайвої активності, вона не випромінює багато радіохвиль. Але коли народжуються зірки, коли вони помирають, з'являється дуже багато радіохвиль.
«Ми бачимо активні події. Бачимо вибухи зірок, ударні хвилі, зіркові вітри », говорить О'Брайен.
Радіотелескопи також використовувалися вченим Північної Ірландії Джоселін Беллом Бернелл для виявлення пульсарів - особливого типу нейтронних зірок.
Нейтронні зірки народжуються після гігантських вибухів наднових, коли зірка колапсує і стає неймовірно щільною. Пульсари є приклади таких нейтронних зірок, які випромінюють пучки електромагнітного випромінювання з полюсів і можуть бути виявлені радіотелескопами.
Через регулярних сигналів, що випускаються кожні кілька мілісекунд, деякі вчені спочатку було подумали, що це така форма спілкування розумних видів по всьому Всесвіті.
Завдяки відкриттю безлічі пульсарів, тепер зрозуміло, що регулярний імпульс породжується обертанням самої зірки.
«Вона обертається навколо вертикальної осі, і цей пучок виходить по діагоналі - немов підмітаючи небо, - пояснює О'Брайен. - Якщо він виявиться на лінії візування, ви побачите регулярні спалахи в міру обертання пучка. Як у маяка ».
Деякі зірки приречені стати пульсарами. Але наше Сонце чи не спіткає така доля: воно дуже маленьке, щоб вибухнути в реакції наднової в кінці свого життя. Який же буде його доля через мільярди років?
Зі спостережень інших зірок навколо нас в галактиці ми знаємо, що існує цілий ряд можливих розв'язок. Але з огляду на масу нашого Сонця і порівнюючи його зі схожими зірками, ми вирішили, що майбутнє нашого світила досить очевидно.
Ми очікуємо, що воно поступово буде розширюватися в міру старіння - в найближчі 5 мільярдів років - щоб стати червоним гігантом. Випромінювання ставатиме все слабкіше в міру витрати водневого палива. У більш «слабкої» світла буде нижче частота, нижче енергія, і Сонце, отже, буде червоніти.
Потім, після серії вибухів, все, що залишиться, це буде внутрішнє вуглецеве ядро Сонця - алмаз розміром з Землю. Цей «білий карлик» буде повільно остигати протягом трильйона років.
Ми ще дуже багато не знаємо про Сонце, і ряд проектів покликаний вирішити давно хвилюють вчених загадки.
Наприклад, Solar Probe Plus, який підійде до Сонця ближче, ніж будь-який інший зонд в історії, щоб спробувати дізнатися більше про те, як виробляються сонячні вітри, і зрозуміти, чому корона Сонця - аура плазми навколо світила - гаряче, ніж його фактична поверхня.
Але основи нам відомі. Розщеплюючи світло Сонця на спектр кольорів, вловлюючи нейтрино в глибоких темних підземних лабораторіях, ми зуміли відповісти на багато важливих питань про природу нашого Сонця. Ми також багато знаємо про те, з чого складаються зірки, як виробляють світло і як цей процес справив широкий ряд елементів, так необхідних на Землі.
Як ми дізнаємося, з чого складаються зірки? Ілля Хель