Что произойдет, если Солнце остановится? Часть 2: Кельвин и Гельмгольц наготове

(Это часть 2 серии о том, что произойдет, если Солнце остановится. Сначала прочитайте часть 1.)

Когда вы включаете плиту, чтобы нагреть сковороду для приготовления яиц, вам нужно подождать некоторое время. Нагреву требуется время, чтобы проникнуть в металл. Как только сковорода достаточно нагрета, вы готовите яйца, а когда закончите, можете сесть и поесть их, пока сковорода медленно остывает сама по себе.

Солнце немного больше, чем сковорода, но основные физические законы остаются теми же. Когда-то Солнце, или скорее холодное облако газа и пыли, которое станет Солнцем, было холодным. Теперь оно горячее. На его нагрев ушло время. А поверхность Солнца подвергается холодному вакууму космоса, постоянно излучая свое тепло в темноту, постоянно остывая.

Все это означает, что термоядерный синтез — это не сама горячая сковорода. Термоядерный синтез — это пламя под ней. Термоядерный синтез поддерживает Солнце теплым. Уберите пламя, и Солнце все равно останется теплым, по крайней мере, на некоторое время, потому что, как и все горячие вещи, ему нужно время, чтобы остыть.

На самом деле, скорость термоядерного синтеза настроена с замечательной точностью, чтобы поддерживать Солнце едва теплым, чтобы избежать катастрофы, через не столь магический процесс, называемый гидростатическим равновесием.

Вот как это работает. Солнце — это гигантский шар газа, настолько гигантский, что его собственная гравитация постоянно пытается сжать его. И когда гигантский шар газа сжимается в меньший объем, он нагревается. В 19 веке астрономы были искренне озадачены тем, как Солнце смогло оставаться теплым так долго. Поэтому в 1854 году немецкий аристократ по имени Герман фон Гельмгольц предположил, что, возможно, оно оставалось теплым просто за счет медленного сжатия. Начните с большого шара газа, позвольте ему сжаться, наблюдайте, как он нагревается, пусть это тепло уходит в виде прекрасного солнечного света, позвольте ему сжаться еще немного и продолжайте весь цикл.

Через десятилетие другой аристократ, потому что это было время, когда «если вы хотите быть ученым, очень помогает быть финансово независимым», взялся за эту проблему. Уильям Томсон, первый барон Кельвин, лорд Кельвин для нас простых смертных, провел более тщательные расчеты, чтобы определить срок жизни Солнца. И он получил неправильный ответ.

Он рассматривал несколько возможностей, но в целом пришел к числам в несколько десятков миллионов лет. Долгое время, безусловно. Но это было сильно не в ногу с тем, что находили геологи, а позже и биологи. Они приходили к возрасту Земли в сотни миллионов, даже миллиарды лет. На протяжении десятилетий астрономы были объектом шуток в научных кругах (мне не интересно обсуждать какие-либо современные параллели), отчасти потому, что лорд Кельвин был так громко и публично уверен в своих числах, которые, как уже упоминалось, были очень неправильными. Потребовалось до 1920-х годов и появления ядерной физики, прежде чем кто-либо смог предложить источник энергии, который позволил бы Солнцу светить миллиарды лет.

Но даже если лорд Кельвин был неправ, он был неправ в глубоко полезном смысле. Поскольку он ничего не знал о термоядерном синтезе, именно его расчеты мы будем использовать, чтобы выяснить, что произойдет, если термоядерный синтез прекратится. Так что спасибо, полагаю.

И вот действительно красивая часть: ядерный синтез регулирует себя. Если Солнце немного сжимается, ядро сжимается, больше протонов получает шанс «свидаться» друг с другом, и скорость термоядерного синтеза увеличивается, что нагревает ядро и толкает его обратно наружу, охлаждая все. А если Солнце немного раздувается, реакции термоядерного синтеза замедляются, давление падает, и Солнце снова успокаивается. Термостат без движущихся частей.

Другими словами, и термодинамические фанаты среди вас получат от этого настоящее удовольствие, Солнце на самом деле нагревается, теряя энергию. Это звучит совершенно неправильно, но природа не обязана быть интуитивной, особенно когда речь идет о самогравитирующих системах.

Термоядерный синтез настроен именно так, чтобы не допустить, чтобы Солнце либо взорвалось в пламени славы, либо коллапсировало в черную дыру. И оказывается, что «именно так» — это совсем немного термоядерного синтеза. Термоядерный синтез — это струйка, наполняющая огромный резервуар накопленного тепла, едва достаточная, чтобы поддерживать свет, ни больше, ни меньше. Это означает, что если термоядерный синтез прекратится, у нас все еще есть все это тепло, накопленное внутри тела Солнца, и у нас все еще есть механизм Кельвина-Гельмгольца (да, Гельмгольц предложил его первым, но Кельвин-Гельмгольц просто легче произносится, извините, Герман), готовый поддерживать Солнце в работе еще дольше, просто позволяя ему сжиматься.

Другими словами, Солнце горячее, потому что оно горячее. Термоядерный синтез только поддерживает свет. И поскольку Солнце гигантское, переполненное, сложное и беспорядочное, изменения внутри него требуют очень, очень много времени, чтобы проявить себя.

Пример: фотоны.

В части 3 мы проследим за одним фотоном на его абсурдном пути в сто тысяч лет из Солнца и узнаем, что солнечный свет на вашем лице старше человеческой цивилизации.