Источники энергии и внутреннее строение солнца

Ежесекундно Солнце теряет около 4,3 млн. тонн массы на излучение. В год это составляет 1,4·10¹⁴ тонн. Но Солнце очень велико: 1 % своей массы оно потеряло бы на излучение за 150 млрд. лет. И на протяжении миллиардов лет Солнце излучает огромную энергию.

Согласно современным представлениям, на Солнце происходят термоядерные реакции, сопровождающиеся огромным выделением энергии. В ходе этих реакций при очень высоких температурах одни химические элементы превращаются в другие.

В недрах Солнца в виде отдельных протонов находится сильно ионизованный водород. Скорость протонов в условиях высоких температур настолько велика, что они сближаются, преодолевая электрические силы отталкивания. На очень близких расстояниях вступают в действие мощные ядерные реакции, в ходе которых происходит синтез новых химических элементов. Фактически внутри Солнца водород превращается в гелий. Это превращение описывается протон-протонным циклом – очень медленной реакцией (характерное время 7,9∙10⁹ лет). Ее суть состоит в том, что из четырех протонов получается ядро гелия. При этом выделяются пара позитронов и пара нейтрино, а также 26,7 МэВ энергии. Рассмотрим цепочку протон-протонного цикла. На первом этапе слияние двух протонов сопровождается образованием дейтерия (ядра тяжелого водорода) и испусканием позитрона и нейтрино:

¹H + ¹H → ²D + e⁺ +ν,

далее дейтерий сам вступает во взаимодействие с протоном, получается ядро легкого изотопа гелия и выделяется гамма-квант:

²D + ¹H → ²He + γ,

после чего слияние двух ядер легкого гелия приводит к образованию ядра гелия и двух протонов:

³He + ³He → ⁴He + ¹H +¹H,

В ходе такой реакции выделяется огромное количество энергии. Воспользовавшись законом взаимосвязи массы и энергии E = mc², можно посчитать, что при сгорании 1 г водорода выделяется приблизительно 6,3·10¹¹ Дж энергии.

Каждую секунду Солнце перерабатывает около 600 миллионов тонн водорода. Запасов ядерного топлива хватит еще на пять миллиардов лет, после чего оно постепенно превратится в белый карлик.

Одним из продуктов протон-протонного цикла является нейтрино. Эти частицы почти без взаимодействия способны проникать сквозь толщу всей звезды, унося часть энергии непосредственно из ее центральных областей. Нейтрино имеют огромную проникающую способность и поэтому трудноуловимы. Тем не менее, существуют специальные нейтринные обсерватории, которые фиксируют потоки солнечных нейтрино. Регистрация нейтрино – крайне важная задача, поскольку именно нейтрино несет информацию о процессах, происходящих в недрах Солнца и подобных ему звезд.