Ядро Солнца: структура, температура и термоядерный синтез

Введение

Центральная область Солнца – ядро Солнца. Считается, что ядро Солнца простирается от центра до примерно 0,2 солнечного радиуса. Это самая горячая часть Солнца и Солнечной системы. В центре плотность составляет около 150 г/см³, а температура – 15 миллионов кельвинов (15 миллионов градусов Цельсия; 27 миллионов градусов Фаренгейта). Ядро состоит из горячей, плотной плазмы (ионов и электронов) при давлении, оцениваемом в центре. В результате термоядерных реакций состав солнечной плазмы изменяется: от 68–70% водорода по массе во внешнем ядре до 34% водорода в центре Солнца. Ядро, находящееся внутри 20% солнечного радиуса, содержит 34% массы Солнца, но лишь 0,8% его объема. Внутри 24% солнечного радиуса находится ядро, генерирующее 99% энергии термоядерного синтеза Солнца. Существуют две различные реакции, в которых четыре ядра водорода в конечном итоге могут образовать одно ядро гелия: протоно-протонная цепная реакция – основная причина выделения энергии Солнцем – и CNO-цикл.

Состав

Солнце в фотосфере состоит примерно из 73–74% водорода по массе, остальное – в основном гелий. Этот состав аналогичен составу атмосферы Юпитера и первоначальному составу газов при самых ранних стадиях звездообразования после Большого взрыва. Однако, с увеличением глубины внутри Солнца, доля водорода уменьшается в результате термоядерных реакций. При движении вглубь, массовая доля водорода начинает быстро снижаться после достижения радиуса ядра (она всё ещё составляет около 70% при радиусе, равном 25% радиуса Солнца), а внутри ядра доля водорода быстро падает по мере приближения к центру, достигая минимального значения примерно в 33% в центре Солнца (радиус равен нулю). Почти вся оставшаяся масса плазмы, за исключением 2% (то есть 65%), состоит из гелия.

Преобразование энергии

Приблизительно 3,7 протонов (ядра водорода), или около 600 миллионов тонн водорода, преобразуются в ядра гелия каждую секунду, высвобождая энергию со скоростью 3,86 джоуля в секунду. Ядро производит почти всё тепло Солнца посредством термоядерного синтеза; остальная часть звезды нагревается за счёт передачи тепла от ядра наружу. Энергия, выделяющаяся в результате термоядерного синтеза в ядре, за исключением небольшой части, переносимой нейтрино, должна проходить через множество последовательных слоёв к солнечной фотосфере, прежде чем покинуть Солнце в виде солнечного света или в виде кинетической или тепловой энергии массивных частиц. Мощность термоядерного синтеза в ядре, то есть преобразование энергии в единицу времени, меняется с расстоянием от центра Солнца. В центре Солнца, согласно моделям, мощность термоядерного синтеза составляет около 276,5 Вт/м³. Несмотря на высокую температуру, пиковая плотность выделения энергии в ядре в целом сопоставима с активной компостной кучей и ниже, чем плотность энергии, производимая метаболизмом взрослого человека. Солнце гораздо горячее компостной кучи из-за огромного объёма Солнца и ограниченной теплопроводности. Низкая мощность, возникающая внутри ядра термоядерного синтеза Солнца, может показаться удивительной, учитывая большую мощность, которую можно было бы предсказать, просто применив закон Стефана — Больцмана для температур 10–15 миллионов кельвинов. Однако слои Солнца излучают во внешние слои, температура которых лишь немного ниже, и именно эта разница в мощности излучения между слоями определяет чистую генерацию и передачу энергии в солнечном ядре. На расстоянии 19% радиуса Солнца, вблизи границы ядра, температура составляет около 10 миллионов кельвинов, а плотность мощности термоядерного синтеза — 6,9 Вт/м³, что составляет около 2,5% от максимального значения в центре Солнца. Плотность здесь составляет около 40 г/см³, или примерно 27% от плотности в центре. Около 91% солнечной энергии вырабатывается в пределах этого радиуса. В пределах 24% радиуса (внешнего «ядра» по некоторым определениям) вырабатывается 99% энергии Солнца. За пределами 30% радиуса Солнца, где температура составляет 7 миллионов К и плотность упала до 10 г/см³, скорость термоядерного синтеза практически равна нулю. Существуют две различные реакции, в результате которых четыре ядра водорода могут в конечном итоге образовать одно ядро гелия: «протон-протонный цикл» и «CNO-цикл».

Approximately 3.7 protons (hydrogen nuclei), or roughly 600 million tonnes of hydrogen, are converted into helium nuclei every second releasing energy at a rate of 3.86 joules per second. The core produces almost all of the Sun's heat via fusion; the rest of the star is heated by the outward transfer of heat from the core. The energy produced by fusion in the core, except a small part carried out by neutrinos, must travel through many successive layers to the solar photosphere before it escapes into space as sunlight, or else as kinetic or thermal energy of massive particles. The energy conversion per unit time (power) of fusion in the core varies with distance from the solar center. At the center of the Sun, fusion power is estimated by models to be about 276.5 watts/m3. Despite its intense temperature, the peak power generating density of the core overall is similar to an active compost heap, and is lower than the power density produced by the metabolism of an adult human. The Sun is much hotter than a compost heap due to the Sun's enormous volume and limited thermal conductivity. The low power outputs occurring inside the fusion core of the Sun may also be surprising, considering the large power which might be predicted by a simple application of the Stefan–Boltzmann law for temperatures of 10–15 million kelvins. However, layers of the Sun are radiating to outer layers only slightly lower in temperature, and it is this difference in radiation powers between layers which determines net power generation and transfer in the solar core. At 19% of the solar radius, near the edge of the core, temperatures are about 10 million kelvins and fusion power density is 6.9 W/m3, which is about 2.5% of the maximum value at the solar center. The density here is about 40 g/cm3, or about 27% of that at the center. Some 91% of the solar energy is produced within this radius. Within 24% of the radius (the outer "core" by some definitions), 99% of the Sun's power is produced. Beyond 30% of the solar radius, where temperature is 7 million K and density has fallen to 10 g/cm3 the rate of fusion is almost nil. There are two distinct reactions in which four hydrogen nuclei may eventually result in one helium nucleus: "proton–proton chain reaction" and the "CNO cycle".

Цикл CNO

Вторая последовательность реакций, в которой 4 ядра водорода в конечном итоге приводят к образованию одного ядра гелия, называется CNO-циклом и генерирует менее 10% от общей солнечной энергии. В ней участвуют атомы углерода, которые не расходуются в ходе процесса. Подробности CNO-цикла следующие:

Этот процесс можно лучше понять, рассмотрев схему справа, начиная с верхней части по часовой стрелке.

Равновесие

Скорость ядерного синтеза сильно зависит от плотности. Поэтому скорость синтеза в ядре находится в самокорректирующемся равновесии: незначительное увеличение скорости синтеза привело бы к большему нагреву ядра и его небольшому расширению под действием веса внешних слоев. Это уменьшило бы скорость синтеза и устранило бы отклонение; а незначительное уменьшение скорости привело бы к охлаждению ядра и его небольшому сжатию, увеличив скорость синтеза и вернув её к текущему уровню. Однако Солнце постепенно нагревается в течение времени пребывания на главной последовательности, поскольку атомы гелия в ядре плотнее, чем атомы водорода, из которых они образовались. Это увеличивает гравитационное давление на ядро, которое компенсируется постепенным увеличением скорости синтеза. Этот процесс ускоряется со временем, по мере того как ядро постепенно становится плотнее. По оценкам, за последние четыре с половиной миллиарда лет яркость Солнца увеличилась на 30% и продолжит увеличиваться на 1% каждые 100 миллионов лет.

Передача энергии

Высокоэнергетические фотоны (гамма-лучи), высвобождаемые в реакциях термоядерного синтеза, достигают поверхности Солнца по сложным, извилистым путям. Согласно современным моделям, случайное рассеяние на свободных электронах в солнечной радиационной зоне (область в пределах 75% солнечного радиуса, где перенос энергии осуществляется излучением) определяет масштаб времени диффузии фотонов (или "время прохождения фотона") от ядра до внешнего края радиационной зоны, составляющий около 170 000 лет. Оттуда они переходят в конвективную зону (оставшиеся 25% расстояния от центра Солнца), где преобладающий механизм переноса энергии меняется на конвекцию, и скорость переноса тепла наружу значительно возрастает. В процессе переноса энергии от ядра к фотосфере каждый гамма-фотон в ядре Солнца в результате рассеяния преобразуется в несколько миллионов фотонов видимого света, прежде чем покинуть Солнце. Нейтрино также образуются в реакциях термоядерного синтеза в ядре, но, в отличие от фотонов, они крайне редко взаимодействуют с веществом, поэтому почти все немедленно покидают Солнце. Долгое время измерения количества нейтрино, рождающихся в Солнце, были значительно ниже теоретических предсказаний, однако эта проблема была недавно решена благодаря более глубокому пониманию явления нейтринных осцилляций.