Тайны Вселенной - Валерий Демин

Сегодня Солнце остается таким же загадочным и недосягаемым, как и тысячи лет тому назад. Оно по-прежнему не только источник тепла, света и колоссальной энергии, но и сотен вопросов по поводу их происхождения. И большинство этих вопросов остаются без ответа или же порождают все новые и новые проблемы. Единственно, в чем не приходится сомневаться, — в твердо установленном факте: Солнце — одна из бесчисленных мириадов звезд и может многое рассказать об их природе и эволюции. Однако беспрестанное указание на заурядность Солнца как обычной и ничем не выдающейся звезды плохо сопрягается с другим, на сей раз уже бесспорным выводом: именно Солнце явилось одним из главных «виновников» появления по крайней мере на одной из планет образованной им системы такого потрясающего и уникального явления, как жизнь. Если данный феномен действительно уникален, то в таком случае почему природа распорядилась именно Солнцу — рядовой среди мириадов таких же звезд — стать колыбелью жизни и разума? Если же никакой уникальности здесь не просматривается, то чисто логически напрашивается вывод: жизнь должна быть всюду, где есть подходящие условия, приблизительно сходные с околосолнечными.

Другими словами, само возникновение жизни — всего лишь заурядный момент в истории Вселенной и неизбежное следствие космической эволюции.

Земному наблюдателю раскаленный и режущий глаза солнечный круг кажется не таким уж и большим — даже меньше лунного.

Однако, как подсчитано астрономами, диаметр Солнца составляет примерно 13 тысяч км, то есть в 109 раз больше земного. При этом масса дневного светила в 333 тысячи раз больше массы Земли, а объем больше — в 1 миллион 304 тысячи раз. Даже совокупные размеры, масса и объем всех планет Солнечной системы меньше соответствующих характеристик центральной звезды.

Хорошо известно также, что Солнце — раскаленный газовый шар. В его глубинах температура достигает четырнадцати миллионов градусов, а давление — десяти миллиардов атмосфер.

Сферическая масса огненного газа удерживается собственным тяготением. Солнечный газ — явление особого рода, не имеющее ничего общего, например, с воздухом, которым мы дышим. Солнечный газ — это плазма, особое состояние вещества, когда атомы как бы становятся «голыми», теряют электроны со своих орбит и вместе с ними образуют высокотемпературную смесь — плазму. Основной химический элемент на Солнце — водород. Он же — топливо для колоссальных, не вмещающихся в воображение термоядерных реакций — основы энергетической деятельности Солнца и в конечном счете источника тепла и света для всего живого и неживого на Земле, других планетах и околосолнечном пространстве. В процессе происходящих термоядерных реакций водород превращается в гелий, выделяя ежесекундно 4Ч1026 Дж энергии. Одновременно сквозь солнечную массу просачиваются биллионы биллионов фотонов, которые свободно устремляются в просторы Космоса, неся свет и тепло планетам Солнечной системы.

С точки зрения наиболее распространенной и, можно даже сказать, господствующей термоядерной концепции звездной энергетики, центральные слои Солнца — это термоядерный реактор, где происходит выделение энергии, а окружающие лучистые слои — как бы неимоверно толстые стенки котла, через которые энергия медленно просачивается наружу (рис. 80). Эти стенки служат дном другого котла, который можно считать заполненным как бы жидкостью: здесь вещество «кипит» и главный процесс — перемешивание отдельных масс. У этого котла имеется крышка из тонкого упругого и легко деформируемого вещества.

Снизу эта крышка постоянно атакуется вихрями кипящей плазмы. Благодаря своей упругости она все время колеблется подобно мембране звучащего динамика. Волны, распространяющиеся от этой мембраны, сильно разогревают газ окружающих внешних слоев солнечной атмосферы.[43]

Считается, что рано или поздно термоядерное топливо в солнечных недрах закончится, и наше светило «погаснет». Но такое предположение — всего лишь одна из возможных (правда, господствующих в настоящий момент) гипотез. Она опирается на бесспорный факт ограниченности общей массы Солнца и, следовательно, запасов топлива; на довольно-таки простенькую аналогию, почерпнутую из звездной астрономии (раз известны остывающие звезды, значит, и Солнце ожидает то же самое); и, наконец, на следствия, вытекающие из космологической концепции Большого взрыва.

Однако существуют и альтернативные подходы. Можно с не меньшим успехом предположить, что запасы термоядерного топлива непрерывно возобновляются или пополняются (таковы закономерности космического вещественно-энергетического кругооборота). И привести не менее весомые аргументы. Строго говоря, утвердившаяся теория внутренних процессов, происходящих на Солнце, согласно которой его энергия обеспечивается термоядерными реакциями, тоже представляет собой всего лишь хорошо обоснованную и просчитанную астрономическую модель. Просто на сегодня мы не располагаем никакими иными знаниями, позволяющими объяснить источник и механизмы работы гигантского солнечного «котла». Но это ведь только сегодня! Напомним, что и о термоядерных реакциях нам стало известно чуть больше полувека назад.

Сошлемся еще на одну любопытную гипотезу, позволяющую лучше понять процессы, происходящие в глубинах дневного светила. Она исходит из предположения, что в недрах Солнца таятся частицы в пять раз тяжелее протонов. Они принадлежат к семейству частиц, из которых состоит более 90 % массы всей Вселенной. Но ни одна из них до сих пор не обнаружена. Их существование проливает свет на многие из сложнейших проблем, стоящих перед астрофизиками, и объясняет «недостаточность» нейтринного потока, льющегося из солнечных недр. Такую картину нарисовал британский астрофизик Джон Фолкнер. Загадки наших ближайших космических окрестностей он связал со всем мирозданием.

Еще в 1926 году известный английский астроном Артур Эддингтон писал: «Разумно надеяться, что не в слишком отдаленном будущем мы станем достаточно знающими, чтобы понять столь простую вещь, как звезда». А спустя полвека ученые оказались перед лицом кризиса, который наводит на мысль, что Солнце не такое уж и простое. Вскоре после пророчества Эддингтона оказалось возможным рассчитать изменения температур и давлений в его недрах. Большую часть последовавшего полстолетия астрофизики были счастливы, что смогли постигнуть природу Солнца, которая определяется термоядерными реакциями, протекающими в его недрах.

Из теории следовало, что реакции эти порождают потоки элементарных частиц нейтрино, устремляющиеся из солнечных глубин в космос. С веществом они вступают в реакции крайне неохотно — именно по этой причине и убегают из недр Солнца. Но когда на Земле были построены детекторы, достаточно чувствительные для регистрации и подсчета солнечных нейтрино, то была обнаружена лишь треть их потока, предсказываемая теорией. Результаты первых экспериментов были неоднократно подтверждены. После этого у ученых осталось две возможности.

Либо неверны теории ядерной физики, либо астрофизики еще не до конца понимают столь простую вещь, как звезда.

Проблему можно было бы разрешить, если произвольным образом уменьшить предсказываемую температуру в центре Солнца на 10 %. В таком случае количество излучаемых ней трино (в соответствии с теорией) совпадало бы с результатами наблюдений. Однако почему же Солнце должно быть внутри холоднее того, что требуют законы физики? Эту тайну пытались разгадать многие. Отгадок было столько же, сколько и астрофизиков. Одним из предположений, в частности, было такое: сердцевина Солнца быстро вращается; за этот счет давление там пониженное и температура соответственно меньше. Но никаких признаков подобного «сепаратного» вращения сердцевины обнаружить не удалось.

На этом «фоне» Д. Фолкнер совместно с Р. Джиллилэндом пришел еще к одному ответу. Одной из причин сравнительно холодного состояния центра Солнца могло бы оказаться присутствие частиц нового типа, которые уносили бы тепло из его недр, не принимая участия в ядерных реакциях. «Облако» подобных частиц, перемешиваясь с протонами, участвующими в реакциях, должно уносить энергию наружу, охлаждая недра нашего дневного светила. Ограничения, налагаемые законами физики, теорией строения звезд и фактом «пониженной» интенсивности потока нейтрино, дали Фолкнеру и Джиллилэнду возможность составить довольно определенное представление об этих частицах. Они должны быть в пять раз массивнее протонов. Поскольку они не принимают участия в термоядерных реакциях, то должны «замечать» другие частицы только за счет гравитации или «слабого» взаимодействия (но не «сильного», причастного к этим реакциям). Исследователи назвали ее «слабо взаимодействующей массивной частицей», или сокращенно «уимпом» (англ. Wimp — weakli interacting massive particle). Они написали соответствующую статью, но она не была опубликована и пылилась в кабинете Фолкнера семь лет.