Słońce dla początkujących, czyli co warto wiedzieć o naszej gwieździe

dnia 23/11/2016

trace9

Słońce zawsze stanowiło ważny element naszej cywilizacji. Bóg-Słońce to popularny motyw w religiach świata, lecz jego obecność nie dziwi – nasi przodkowie nie mieli problemu ze zidentyfikowaniem życiodajnej siły, płynącej z naszej gwiazdy. Bowiem Słońce faktycznie daje życie – to jego promienie dostarczają Ziemi tak potrzebną energię, która następnie przerabiana jest na tak wiele sposobów.

Każdy miłośnik tematów astronomicznych powinien wiedzieć, co mu nad głową świeci. Zwłaszcza, jeśli chodzi o tę wielką kulę za dnia. Toteż zajmiemy się w tym artykule podstawowymi rzeczami, które warto wiedzieć o Słońcu.

Warto zacząć od tego, iż Słońce nie jest wieczne – zrodziło się około 4,5 miliarda lat temu i pożyje mniej więcej drugie tyle. Nasza gwiazda ma średnicę około 1400000 kilometrów i jest około 300 tysięcy razy bardziej masywna, niźli Ziemia.

Do tego wcale nie stoi w miejscu. To znaczy, pomijając fakt, iż pędzi z dużą prędkością przez galaktykę, krążąc wokół jej centrum, to dodatkowo nie tkwi w jednym punkcie naszego własnego Układu Słonecznego. Słońce tak naprawdę okrąża punkt, reprezentujący środek masy naszego układu planetarnego. W pewnym sensie orbituje, na swój dziwny sposób. Punkt ten jednak cały czas znajduje się w regionie jądra słonecznego, więc nie jest to aż tak zauważalne.

Jak zrodziło się Słońce

Gwiazdy rodzą się w kosmicznych obłokach gazu, składających się głównie z wodoru. Pod wpływem sił grawitacyjnych, wodór zaczyna się gromadzić w jednym punkcie. Im większe skupisko wodoru, tym więcej wodoru spływa do tegoż danego punktu. Całość zaczyna się powoli zapadać pod własnym ciężarem – nazywamy to kolapsem grawitacyjnym. Kiedy zostanie przekroczona masa krytyczna, w jądrze tego skupiska wodoru rozpoczynają się reakcje jądrowe, a obiekt rozpala się słonecznym blaskiem – powstaje protogwiazda, która gromadzi coraz więcej gazu, aż w końcu dojrzewa do miana prawdziwej gwiazdy.

"Filary Stworzenia" - słynne zdjęcie mgławicy Orzeł w wykonaniu HST. W takich mgławicach rodzą się gwiazdy - NASA, Jeff Hester, and Paul Scowen (Arizona State University)

„Filary Stworzenia” – słynne zdjęcie mgławicy Orzeł w wykonaniu HST. W takich mgławicach rodzą się gwiazdy – NASA, Jeff Hester, and Paul Scowen (Arizona State University)

Słońce należy do młodej generacji gwiazd. W naszym obłoku gazu znalazło się również sporo pyłu gwiezdnego, powstałego w wyniku umierania wcześniejszych gwiezdnych generacji. Kiedy protogwiazda rozbłysła, wokół niej zaczął się formować dysk protoplanetarny, a siły radiacyjne naszego protosłońca wytworzyły bąbel wokół rodzącego się układu słonecznego – dziś takie bąble nazywamy proplydami. Dostrzegliśmy ich całkiem sporo w kosmosie, na przykład w mgławicy Oriona.

Proplyd w mgławicy Oriona - NASA/ESA, J. Bally (University of Colorado, Boulder, CO), H. Throop (Southwest Research Institute, Boulder, CO), C.R. O'Dell (Vanderbilt University, Nashville, TN)

Proplyd w mgławicy Oriona – NASA/ESA, J. Bally (University of Colorado, Boulder, CO), H. Throop (Southwest Research Institute, Boulder, CO), C.R. O’Dell (Vanderbilt University, Nashville, TN)

To właśnie z dysku protoplanetarnego utworzyły się wszystkie planety naszego Układu Słonecznego – to jednak opowieść na inny dzień.

Oczywiście, gwiazdy nie rodzą się samotne – z pojedynczego obłoku gazu może zrodzić się wiele gwiazd. Jednak ruch obiektów w kosmosie sprawia, że z biegiem czasu gwiazdy te oddalą się od siebie. To dlatego dziś tak trudno znaleźć nam rodzeństwo naszego Słońca w najbliższej okolicy – co nie zmienia faktu, że naukowcy próbują.

Pora zobaczyć, co takiego znajduje się w środku gwiazdy.

Warstwy Słońca

Naukowcy dawno temu zwrócili uwagę, iż powierzchnia Słońca faluje. Na początku uważano, iż jest to efekt niedoskonałej technologii obserwacyjnej, ale rozwój teleskopów nie pomógł w pozbyciu się dziwnych efektów widocznych na powierzchni naszej gwiazdy. Okazało się, iż naukowcy tak naprawdę obserwowali fale dźwiękowe, które rozchodziły się przez całe Słońce, formując na powierzchni bąble gorącej plazmy wielkości Polski – jeszcze tej dawnej, “od morza do morza”.

Słońce - nasza rozgrzana kula plazmy - NASA/SDO

Słońce – nasza rozgrzana kula plazmy – NASA/SDO

Z tego odkrycia zrodziła się nauka zwana heliosejsmologią. W normalnej, ziemskiej sejsmologii rozchodzenie się fal dźwiękowych przez skały stosowane jest do określenia, jak zbudowana jest w środku Ziemia. Rozchodzenie się fal na Słońcu pomogło określić, z jakimi warstwami Słońca mamy do czynienia. Dziś możemy więc wyróżnić kilka głównych składowych naszej gwiazdy.

W samym środku Słońca odnajdujemy jądro słoneczne. To właśnie tutaj zachodzą te słynne reakcje jądrowe, które napędzają całą gwiazdę i całe życie na Ziemi. To tutaj dochodzi do reakcji najczęściej spotykanego w kosmosie gazu – wodoru. Toczy się tutaj fuzja jądrowa, w której atomy wodoru, pod wpływem ciśnienia i temperatury, wytracają elektrony, tworząc plazmę. Kiedy zaś dwa atomy plazmy wodoru zderzają się ze sobą, wyzwalają olbrzymią ilość energii pod postacią fotonów.

Takie małe wybuchy bomb wodorowych następują w ilości setek tysięcy na sekundę. I trwa to już od ponad 4 miliardów lat, a potrwa i drugie tyle, póki zapasy wodoru w jądrze słonecznym na to wystarczą. Nim jednak nastąpi koniec, foton wyzwolony w reakcji fuzji jądrowej powoli przedostaje się na zewnątrz. Wyrusza do kolejnej warstwy Słońca.

Co ciekawe, Słońce, jak każda inna gwiazda, to fascynujący przykład kosmicznej równowagi. Reakcje jądrowe w gwieździe dążą do jej rozsadzenia, zaś własne siły grawitacyjne tejże gwiazdy utrzymują wszystko razem. Kiedy równowaga ta zostaje zachwiana, gwiazda umiera – w zależności od jej masy śmierć bywa albo spokojna i powolna, albo nagła i niezwykle apokaliptyczna.

Kolejna warstwa to tak zwana strefa promienista.

Temperatura oraz ciśnienie w tej warstwie są na tyle niskie, że reakcje jądrowe już nie zachodzą. Ale plazma tu jest na tyle gęsta, iż foton ma trudności z przedostaniem się na zewnątrz. Odbija się więc od kolejnych cząstek plazmy, pędząc po zygzakach, aż będzie mógł się przedostać do kolejnej warstwy Słońca, zwanej strefą konwekcyjną (lub konwektywną), bądź też strefą konwekcji. Taka pokręcona podróż fotonu jest fascynująca, z uwagi na czas jej trwania. By przedostać się z jądra gwiazdy do strefy konwekcyjnej, foton potrzebuje około 100 tysięcy lat.

Plazma strefy konwekcyjnej jest już przyjaźniejsza dla fotonu – podróż ku powierzchni Słońca zajmuje tu już tylko miesiąc. A potem pozostaje już tylko poszybować w pustkę kosmosu, przy okazji trafiając na Ziemię. Podróż fotonu ze Słońca na Ziemię trwa zaledwie 8 minut. Zewnętrzna warstwa Słońca nazywana jest fotosferą.

Ostatnią strefą słoneczną jest atmosfera naszej gwiazdy. Wyróżniamy to regiony bliskie powierzchni (chromosferę), regiony dalsze i gorętsze (korona słoneczna), czy nie tak oczywistą heliosferę, rozciągającą się aż po krańce Układu Słonecznego, a kończącą się heliopauzą. To ta słynna granica między strefą wpływów Słońca, a promieniowaniem reszty kosmosu. To gdzieś tam za heliosferą szybują teraz Voyagery.

Oczywiście, plazma nie stoi w miejscu.

Wielkie ruchy plazmy

Ruchy plazmy w strefie konwekcyjnej tworzą silne prądy elektryczne, a to zaś prowadzi do wytworzenia potężnych pól magnetycznych. Efektem tego jest tak zwana “pogoda słoneczna” oraz cykle aktywności słonecznej. Wszystko zaczyna się całkiem zwyczajnie i omówimy to dość wizualnie. Linie pola magnetycznego płyną sobie od jednego bieguna do drugiego. Ale prędkości plazmy nie są identyczne na całym Słońcu. Plazma wiruje wolniej przy biegunach, a szybciej przy równiku naszej gwiazdy. Co oczywiste, Słońce bowiem obraca się wokół własnej osi.

Obrazowo mówiąc, wszystko to sprawia, iż linie pola magnetycznego zaczynają się deformować, a następnie mieszać, a później również i niejako wystrzeliwać ponad powierzchnię gwiazdy. Wzdłuż tych linii ciągną się gigantyczne strumienie rozgrzanej plazmy, zdolne bez problemu pochłonąć całą Ziemię. Wyglądają jak pętle nad powierzchnią Słońca, posiadające dwa bieguny. W tym gorącym chaosie bieguny tych pętli zderzają się ze sobą, doprowadzając do olbrzymich eksplozji, zwanych Koronalnym wyrzutem masy (oglądając apokaliptyczne amerykańskie filmy, wysłuchujcie terminu „Coronal Mass Ejection”). W wyniku wybuchu rozgrzana i naładowana plazma zostaje wystrzelona w kosmos.

Koronalny wyrzut masy - NASA/ESA SOHO

Koronalny wyrzut masy – NASA/ESA SOHO

Czasem taka dawka naładowanych cząsteczek rusza w kierunku Ziemi i jest to główne zagrożenie dla naszej planety, jakie wynika z naszego Słońca. Plazma wyrzucona z gwiazdy również ma swoje dwa bieguny. Jeśli bieguny te pokryją się z biegunami pola magnetycznego Ziemi, wszystko będzie w porządku, a my doświadczamy jedynie ładnej zorzy polarnej. Jeśli jednak bieguny się nie pokryją, naładowane cząsteczki mogą znacznie osłabić nasze pole magnetyczne. Zorze polarne, w takim wypadku, można będzie zobaczyć nawet w strefach podrównikowych.

Niestety, zorze to nie jedyny efekt omawianego zjawiska – strumień naładowanych cząstek może z łatwością palić linie energetyczne, transformatory i satelity na orbicie. Jest to jeden z realnych scenariuszy apokalipsy. Duża burza magnetyczna w ziemskiej atmosferze może skutecznie cofnąć nas do czasów przed odkryciem prądu, przynajmniej na kilka lat, dopóki nie uda się odbudować systemów energetycznych.

Takie mieszanie się pola magnetycznego Słońca prowadzi w końcu do odwrócenia się biegunów magnetycznych gwiazdy. Wtedy aktywność słoneczna się uspokaja, ponieważ linie pola znowu biegną od bieguna do bieguna. Ale ruch plazmy po pewnym czasie znowu doprowadza do chaosu, wtedy mówimy o sytuacji, kiedy aktywność słoneczna rośnie. Tak toczą się cykle aktywności słonecznej.

Wszystko to potrwa jeszcze jakiś czas.

Jaka śmierć czeka Słońce

Co będzie, kiedy wodór w Słońcu się skończy? Będzie to początek końca – Słońce zacznie powoli umierać, ale trochę to potrwa. Wodór to nie jedyny pierwiastek, który we wnętrzu gwiazdy podlega reakcjom jądrowym. W reakcjach wodór przerabiany jest na hel – efektem ubocznym jest promieniowanie, które do Ziemi dociera pod postacią ciepła i światła słonecznego.

Życie na Ziemi długo nie potrwa. Słońce stanie się zbyt gorące, by podtrzymać wielokomórkowe życie już za około 500 milionów lat. Mikroorganizmy nie powinny przetrwać dłużej, niż kolejne 2 miliardy lat. Inżynierom sugeruję więc przysiąść do tej pracy Alcubierre’a…

Przez kolejne 100 milionów lat po wyczerpaniu się zapasów wodoru, co nastąpi za około 4 miliardy lat, hel będzie dalej przerabiany w reakcjach jądrowych – na węgiel i tlen. Tempo reakcji będzie przyśpieszać, by podtrzymać równowagę gwiazdy (rozsadzanie kontra kolaps). Ale efektem będzie też puchnięcie Słońca, które zacznie przemieniać się w czerwonego olbrzyma, pochłaniając przy tym wszystkie cztery planety skaliste – o ile te nie zostaną wypchnięte na dalsze orbity.

Potem Słońce zacznie pulsować – na zmianę kurczyć się i puchnąć. Kolejne reakcje jądrowe będą przerabiać cięższe pierwiastki, a część materiału gwiezdnego będzie odrzucana w kosmos, tworząc mgławicę planetarną. W końcu, Słońce zacznie wytwarzać żelazo węgiel – pierwiastek, który nie może już być dalej przemieniany w cięższe elementy w reakcji fuzji. Gwiazda wyda swe ostatnie tchnienie – grawitacja wygra 10 miliardów lat walki, gwiazda się zapadanie, a potem wybuchnie, odrzucając resztki materiału. Odsłoni się jądro słoneczne pod postacią białego karła.

Kiedy ostatnia reakcja jądrowa się zakończy, Słońce zacznie powoli stygnąć i będzie to trwało miliardy lat, aż w końcu jego temperatura zrówna się z temperaturą kosmosu, kiedy to cały Wszechświat, powoli umierając, stanie się zimnym, ciemnym i martwym miejscem.

Wyjdźmy na zewnątrz

Warto więc cieszyć się Słońcem, póki to wisi nad naszymi głowami i daje nam życie. Zakładając oczywiście, że jakiś rozbłysk tegoż życia nie zakończy, ale to już zupełnie inna historia. Teraz przynajmniej każdy będzie wiedział, jak – tak w skrócie – taka apokalipsa może zostać wywołana. A jeśli nie nastąpi, to choć po lekturze artykułu pozostanie w głowach wiedza, jaką drogę musi pokonać foton, by na Ziemi mogło rozwijać się życie.