Ленивый желтый карлик

Цикличность появления солнечных пятен.
Источник: meteo.lcd.lu

Такого спокойного Солнца, которое наблюдают астрономы вот уже около года, никогда не было за весь период инструментальных наблюдений. На Солнце – ни одного пятнышка! Вообще-то наблюдения показывают, что Солнце тускнеет с 1985 года, подчеркивается в сообщении агентства Би-би-си. К чему бы это? На вопросы корреспондента «НГ-науки» отвечает Алексей Осокин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Астрономического института МГУ имени М.В.Ломоносова.

– Алексей Рудольфович, вот выдержки из двух недавних сообщений. Первое: «Специалисты NASA объявили, что затянувшийся минимум солнечной активности завершился». Через несколько дней – второе: «Так спокойно, как сейчас, на звезде <Солнце> не было уже почти сто лет» (Би-би-си). Кто же прав? Что происходит с нашим светилом?

– Мы многое знаем о Солнце. Но, как обычно бывает, еще большего не знаем. Казалось бы, выяснено уже – почему Солнце светит. Фактически в недрах Солнца идет процесс, аналогичный взрыву водородной бомбы, только это сравнительно медленная термоядерная реакция.

В водородной бомбе гелий образуется в результате взрывной реакции слияния ядер водорода при температурах в десятки миллионов градусов. А на Солнце «всего-то» при температуре в миллион градусов, процесс преобразования водорода в гелий идет медленно. Все дело в том, что давление там – гигантское: Солнце ведь больше миллиона километров в диаметре. И реакция на Солнце идет как раз за счет этого давления. Если в водородной бомбе практически все атомы водорода реагируют, то на Солнце – только тысячная их часть вступает в реакцию.

В результате внутри Солнца постепенно идет выгорание водорода, и рано или поздно термоядерная реакция прекращается.

– То есть условно можно сказать, что внутри Солнце уже погасло?

– Да, что называется совсем внутри, ядро уже выгорело. Будь Солнце побольше, образовывались бы элементы потяжелее – углерод, например. Но наше Солнце – желтый карлик, дальше образования гелия дело не пойдет.

– А если бы Солнце было побольше?

– Тогда в тот момент, когда активная область термоядерной реакции приблизилась бы к поверхности, произошел бы взрыв. Оболочка разлетается, образуется так называемая сверхновая звезда. В считанные часы!

Наше солнышко через 5 миллиардов лет распухнет примерно до орбиты Меркурия, а потом – потихонечку сожмется и миллионы лет будет медленно остывать. Взрыва не будет. Желтый карлик – что с него взять┘ Кстати, возраст нашей звезды тоже уже 5 миллиардов лет, так что оно в полном расцвете сил┘

– Раньше наблюдался такой минимум солнечной активности?

– Вы знаете, бывало такое. Сами-то пятна на Солнце обнаружились очень давно.

– То есть уровень солнечной активности коррелирует с количеством пятен на Солнце?

– Раньше так и считалось: много пятен – активное Солнце. Появление пятен на Солнце было зафиксировано еще в древних китайских летописях. Кстати, и в древнерусских летописях тоже: «И бысть на Солнце аки гвозди».

В начале 1990-х годов, когда была высокая солнечная активность, вечером, когда Солнце было над горизонтом, невооруженным глазом можно было наблюдать эти пятна.

Но вот предсказание, точнее – прогноз циклов солнечной активности пока установить не удалось. Примерно считается, что солнечная активность растет и уменьшается с периодом 11 лет. Были научные сообщения, что выделяется 80-летний цикл солнечной активности. Единственное, что было твердо доказано еще в начале XX века, – существование минимума солнечной активности с середины XVII века. Продолжался этот минимум лет 150. Причем 11-летний цикл и тогда существовал, но он был совсем маленький, слабовыраженный – пятен было в несколько раз меньше, чем обычно привыкли наблюдать.

Обнаружил этот минимум английский ученый Малдер, и в честь него этот феномен так и назвали Малдеровский минимум. Он совпал с малым ледниковым периодом в те века: резкие морозы, климатическое похолодание и прочее. Подчеркиваю: пока мы говорим, что именно совпал; есть ли между этими двумя событиями причинная связь – сегодня однозначно утверждать нельзя. Хотя совпадение очень уж явное.

Кстати, в конце XIX века был еще один минимум солнечной активности, он продолжался несколько 11-летних циклов. И тогда измерения показали небольшое, но похолодание на Земле.

– Но что же происходит сегодня на Солнце?

– Многие говорят о начале нового минимума, подобного малдеровскому. Другие ученые считают, что мы имеем дело просто с сильно затянувшимся локальным минимумом: фаза спада была в 2004–2005 годах и минимум активности затянулся по каким-то причинам.

Сейчас в космосе находится наш исследовательский спутник «КОРОНОС-Фотон», созданный специально для изучения Солнца.

На интернет-сайте этого проекта выкладывают фотографии Солнца, сделанные в различных диапазонах: в рентгене, в ультрафиолете. Если мы сейчас взглянем на эти фотографии, то увидим, что Солнце совершенно спокойное, на нем нет никаких пятен. Совершенно пусто!

– Солнечные пятна – в физическом смысле что из себя представляют эти объекты?

– Солнечные пятна – это области сильного магнитного поля. И магнитные поля, и токи связаны с неравномерностью вращения слоев Солнца. Для сравнения, чтобы на Земле создать один квадратный метр магнитного поля с такой напряженностью, как на Солнце, понадобится полноценная электростанция, а может быть, и не одна. При этом солнечные пятна могут жить месяцами.

Хотя температура солнечных пятен ниже, чем самого Солнца, но было замечено, что если можно было бы «вырезать» эти пятна и поставить на фоне звездного неба, они светили бы гораздо ярче полной луны.

– Но помимо пятен о солнечной активности судят еще и по вспышкам на Солнце┘

– Совершенно верно. И тут возникает сразу некая загадка. Температура поверхности Солнца – 6000 градусов; температура вспышки на Солнце – несколько миллионов градусов. Вопрос: откуда, за счет чего такой температурный всплеск?

Это действительно очень необычное явление. Представьте, у вас есть ванна с теплой водой, и вдруг вода в ней в каких-то местах очень быстро и очень сильно вроде бы ни с того, ни с сего нагревается. Наверняка это вас удивит. Так вот, и вспышки на Солнце очень сильно удивляют ученых – откуда такая энергия, чтобы разогреть плазму?!

– Какие гипотезы существуют?

– Это все – работа магнитных полей. Дело в том, что желтая поверхность Солнца, которую мы с вами можем наблюдать, на самом деле вовсе и не поверхность в привычном нам смысле слова. Она разреженнее, чем воздух в кинескопе телевизора. То есть с точки зрения обывателя там вообще ничего нет. НИЧТО, которое имеет температуру 6000 градусов, – красиво, не правда ли! И в этой по земным меркам пустоте – магнитные поля. Зато много места: Солнце в сто раз больше Земли. Есть возможность всплывания плазмы из глубинных слоев; есть возможность доставлять энергию магнитными полями.

Так выглядит структура солнечного пятна при очень сильном увеличении. Источник: orion.pta.edu

– То есть пятна на Солнце – это некие объемы солнечного вещества, которые попали в зону действия сильных магнитных полей?

– Да. В местах локализации солнечных пятен напряженность магнитных полей настолько колоссальна, что движение плазмы и газов тормозится. А раз нет движения – падает и температура. Поэтому пятна и холоднее поверхности Солнца, их температура около 3500–4000 градусов.

Как оказалось, солнечные пятна неглубокие – такая клякса. Если смотреть на них в рентгеновском диапазоне, то видно, что вспышки – это потоки вещества в активной области. Там происходит постоянное всплытие магнитных полей. Пятна бывают разной полярности. Между ними – нейтральные линии. Вспышки идут, как правило, по этим линиям. Возникают циклопические арки из солнечного вещества. По-видимому, магнитные линии как бы заполняются вот этой горячей плазмой.

– Образуются протуберанцы, солнечный ветер┘

– Солнечный ветер выносит в космическое пространство огромные количества вещества нашей звезды: за время жизни Солнца – несколько процентов его массы. А масса Солнца примерно 2х1030 килограммов.

В связи с этим можно отметить, например, так называемый парадокс молодого Солнца. В чем он заключается.

Известно, что молодое Солнце должно было бы светить на 30 процентов слабее, чем сегодня. Для нашей планеты в то время это означало, что Земля представляла собой промерзшую насквозь глыбу. Но в таком случае жизнь-то откуда взялась?! Одно из объяснений как раз и заключается в том, что в тот период был очень сильный солнечный ветер. Гигантские ультрафиолетовые события, которые разогревали Землю до приемлемой для возникновения жизни температуры. Известно, что уже 3,5 миллиарда лет назад на Земле были бактерии.

– Во льду они, что ли, сидели┘

– Может быть, и во льду, кстати. Это только один из вопросов. И таких вопросов, без всякой астрологии, огромное количество.

– Есть какой-то прогноз на будущее поведение Солнца или вообще ничего предсказать невозможно?

– Все-таки ученые склоняются к версии, что нынешнее молчание Солнца – это затянувшийся минимум.

Что касается прогнозирования 11-летнего цикла, то с этим очень тяжело. Прогнозы, которые публикуются на следующие циклы, сбываются со случайной вероятностью. Но такого провала, как наблюдаем мы сегодня, никто не ожидал. Здесь надо сказать еще вот о чем.

Если раньше об активности Солнца судили по количеству пятен, то с развитием спутниковых наблюдений активность Солнца стали связывать с количеством вспышек. Солнце, сфотографированное в рентгене в периоды активности, сильно фонит. Кстати, сейчас спутники фиксируют черный фон в рентгеновском диапазоне, что означает отсутствие всякой активности.

Процессы, связанные со вспышками, настолько сложные, что ученые, изучающие Солнце, даже шутят: дайте нам любую теорию, а мы подберем к ней доказательство.

– А какова область ваших научных интересов?

– Вместе с Институтом прикладной математики РАН и Институтом земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН мы занимаемся моделированием солнечных вспышек на основе новых математических методов.

– Какие же это методы?

– Есть такая математическая теория – самоорганизованной критичности. Если у вас есть подпитка, например, энергии в какую-то систему, то энергия выделяется вспышками, событиями. Причем мощность этих событий всегда распределена по определенному закону. И в этом – пафос этой теории. И это распределение одно и то же для лавин из песка, для землетрясений, для солнечных вспышек┘

Так вот, я думаю, что надо объяснять не событие солнечной вспышки само по себе, а феномен серий вспышек объяснять лавинами мелких событий. Вспышка – это место, где уже готово произойти выделение энергии лавиной, суммой мелких отдельных событий. Сложность этой теории в том, что она стохастическая, вероятностная. Ученые же привыкли говорить на языке дифференциальных уравнений. А здесь нельзя составить такое уравнение, весь расчет идет на основе численных методов.

Кажется, мне удалось так сделать модель происходящих на Солнце событий, что изменение каких-то параметров в этой модели изменяет и характеристики вспышки, приближая их к наблюдаемым. И эта модель объясняет кроме того самого степенного закона многие вещи, которые вероятностная теория обычно не демонстрирует. То есть это некий мостик между вероятностной моделью и привычными, использующими дифференциальные уравнения.

P.S.

Когда материал уже был готов к печати, поступило сообщение со ссылкой на информацию из журнала Wired: астрономы обнаружили на Солнце первое «правильное» пятно. Это событие может являться началом нового цикла солнечной активности. По словам одного из ученых Космического центра Годдарда, размер пятна не является «выдающимся», но образование очень яркое. Пятно появилось на широте около 30 градусов. Именно в этом районе в апреле 2009 года телескопы зарегистрировали формирование нового магнитного пояса. Появление такого пояса, как мы уже знаем из интервью Алексея Осокина, обычно указывает на начало нового цикла активности Солнца. Правда, пока ученые не могут с уверенностью утверждать, что на Солнце начался новый цикл активности.