Menu Zamknij

Gwiazdy, część 1: co się dzieje na powierzchni gwiazd?

Powszechne jest rozumienie jakoby Słońce było kulą ognia. Równie często spotykam się z przekonaniem, że całe Słońce jest jak milion milionów wybuchów atomowych, a na jego powierzchni zachodzą ciągłe eksplozje termojądrowe. Obydwa te stwierdzenia są błędne. Wydawałoby się to oczywiste, a jednak wciąż dostaję o to pytania. Pozwólcie że rozgonię wszystkie niejasności w tym wpisie.

Zacznę od banałów: Słońce jest gwiazdą. Gwiazdą nazywamy zwarty obiekt o takiej masie, który w swoim rdzeniu potrafi (lub potrafił w przeszłości) stworzyć warunki do syntezy helu z wodoru. Każda gwiazda zaczyna życie od produkcji helu. W żargonie astronomicznym, hel produkowany w gwiazdach jest nazywany czasem „popiołem” po „spalaniu” wodoru. Te terminy lubią wyciekać do artykułów popularnonaukowych i później czytelnicy są karmieni informacjami, jakoby gwiazdy dosłownie spalały wodór, co nie jest prawdą. W gwiazdach nie zachodzi utlenianie, które jest istotą procesu chemicznego spalania.

Proces syntezy helu z wodoru następuje w rdzeniu gwiazdy. Tylko tam mogą zachodzić takie reakcje, bowiem tylko tam panują odpowiednie ciśnienie oraz temperatura, aby mogło dość do tunelowania (tak, synteza w gwiazdach jest możliwa właśnie dzięki procesom kwantowym). Co za tym idzie, wszystko dookoła rdzenia gwiazdy to tylko… względnie gęsty materiał. Tym materiałem jest plazma, czyli mieszanina zjonizowanego gazu: zupy jonów i oraz elektronów. Plazma słoneczna to w 3/4 plazma wodorowa, a w 1/4 plazma helowa. Reszta pierwiastków jest w zasadzie zaniedbywalna. Gęstość plazmy w Słońcu jest dość zróżnicowana. Na przykład, bardzo blisko rdzenia gęstość naszej gwiazdy jest ona 20 razy większa od gęstości wody. Z czym to porównać? Cóż, odpowiada to gęstości kryształów osmu (taki pierwiastek), chociaż wciąż jest to mało intuicyjne. Chyba najlepszym przykładem będzie złoto w temperaturze pokojowej. Mamy zatem plazmę słoneczną gęstą jak metaliczne złoto, która siedzi blisko środka gwiazdy. Wystarczy jednak oddalić się na nieco więcej niż połowa promienia Słońca od jego centrum, a gęstość gwiazdy będzie taka sama jak gęstość wody w kranie. Jeśli oddalimy się jeszcze bardziej od centrum gwiazdy (na jakieś 95% promienia), czyli będziemy zanurzeni całe 35 000 kilometrów pod fotosferą, gęstość gwiazdy będzie mniejsza od 0.01 grama na centymetr sześcienny. Czy to mało? To tyle samo, ile ma najgęstszy nietoksyczny gaz na Ziemi. Ten sam gaz, który można spotkać na różnych filmikach na Youtube, na przykład tu:

Zbliżając się do fotosfery, która jest widomą powierzchnią gwiazdy, zobaczymy że jej plazma będzie tak rozrzedzona, że można by jej nie zauważyć, gdyby nie jej temperatura. Ciśnienie panujące w fotosferze wynosi, przeciętnie, 50 hektopaskali. Tyle samo wynosi różnica pomiędzy wysokim oraz niskim ciśnieniem w Krakowie. Czy na co dzień to jest zauważalne? Chyba tylko jak ktoś jest meteopatą i ma migreny.

Jak widzicie, procesy „spalania” wodoru w hel mają prawo zachodzić wyłącznie w sercu gwiazdy. Nie ma szans, żeby gdzieś w okolicach powierzchni normalnej gwiazdy dochodziło do zjawiska syntezy helu. Oczywiście są wyjątki w postaci białych karłów, ale to są gwiazdy-zombie. Podobnie jest z gorącymi podkarłami, ale to są tak naprawdę same rdzenie gwiazd, bez otoczek plazmy, więc… temat na inny wpis.

Wracając jeszcze do mitu z płonącym Słońcem, należy rozprawić się z temperaturami panującymi na Słońcu. W rdzeniu gwiazdy temperatura wynosi kilka milionów stopni Celsjusza. Tak naprawdę, to są takie kosmiczne wielkości, że „temperatura” tu niewiele znaczy. Kluczem jest energia, która została wyprodukowana w procesie syntezy helu z wodoru. Wodór, łącząc się w hel, pozostawia po sobie energię, która swobodnie ulatuje w słoneczną plazmę. Część energii ucieka jako fotony, a część jako neutrina. W każdej sekundzie przez powierzchnię porównywalną z wielkością paznokcia przelatuje 100 000 000 000 (nie pomyliłem się, sto miliardów) neutrin wyprodukowanych w rdzeniu Słońca. Neutrina olewają całą materię i po prostu sobie lecą. Żeby mieć dużą pewność złapania neutrino, trzeba by ułożyć blok ołowiu na całej długości od Słońca do Plutona. Póki co za pomocą różnych instrumentów umiemy obserwować ich kilka na dobę. Przykłądem takiego instrumentu jest SuperKamiokande w Japonii:


Można uznać, że energia uniesiona z centrum Słońca przez neutrina to energia stracona i należy skupić się na fotonach. Te z kolei, wyprodukowane w procesie fuzji, są fotonami o ogromnych energiach. To są fotony o energiach gamma. Bardzo szybko reagują z otaczającą je plazmą, przekazując energię jonom i elektronom. Plazma słoneczna dostając od fotonu energetycznego kopa, reemituje go dalej lub emituje kilka(set) mniej energetycznych fotonów. W efekcie, droga takiego hipotetycznego fotonu, od chwili kreacji w procesie syntezy, przez zderzanie się z plazmą w Słońcu, aż do ulecenia w kosmos z powierzchni fotosfery, trwa przeciętnie kilkaset tysięcy lat. Ścieżka wędrówki będzie wyglądała podobnie do tej tu:


Można bezpiecznie założyć, że z każdym kolejnym zderzeniem foton będzie tracił energię. Zatem, im dalej będzie od centrum gwiazdy, tym mniejszą będzie energię unosił. Z drugiej strony, rdzeń Słońca jest relatywnie mały, a powierzchnia Słońca, która odprowadza całą nadwyżkę energii, jest relatywnie duża. Stąd już tylko krok od wyobrażenia sobie, jak to możliwe, że w środku Gwiazdy panuje temperatura kilku milionów stopni, podczas gdy w jej najbardziej zewnętrznych warstwach temperatura wynosi około 10 000 Kelwinów.

Ponownie wylądowaliśmy w fotosferze. Jest ona gorąca, rzadka i składa się niemal wyłącznie ze zjonizowanego wodoru. Nie ma tam tlenu, więc nie ma co się palić. Nie ma warunków do tunelowania kwantowego, więc nie ma jak zachodzić fuzja. Co się więc dzieje na powierzchni Słońca? Słońce kipi. Nie są to procesy odpowiedzialne za spektakularne łuki i rozbłyski na Słońcu, ale odpowiadają one za całościowy obraz fotosfery.

Materia na powierzchni Słońca bulgoce. Nie ma tam bąbli powietrza, ale są bąble plazmy o różnych temperaturach. Zachodzi gwałtowne zjawisko konwekcji. Bąble materii wychodzące z dolnych warstw fotosfery wypływają na jej powierzchnię. Nazywamy je granulami, a ich skupiska: supergranulami. Przykład poniżej:

Supergranule mogą zajmować powierzchnie nawet kilku planet Ziemi ustawionych w jednej linii. Pozostaje ostatnie pytanie: jeśli na powierzchni gwiazdy nie zachodzą procesy jądrowe oraz gwiazda nie płonie, to dlaczego Słońce świeci?

Słońce świeci, bo fotosfera jest gorąca. Dzieje się tak z tego samego powodu, z którego wrzucony do ogniska gwóźdź świeci. Opis tego świecenia spełniony jest przez tzw. model ciała doskonale czarnego. Na takiej samej zasadzie świeci Słońce. Plazma wodorowa w fotosferze ma około 6000 Kelwinów, dlatego Słońce świeci w przybliżeniu tak, jak ciało doskonale czarne o temperaturze 6000 Kelwinów. Oczywiście znów trzeba wspomnieć o czymś takim jak pył oraz linie absorpcyjne, należą się dwa słowa serii Balmera… Ale to znów będzie temat na inny wpis.


Wpis opublikowałem również na Mikroblogu.

Słońce

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *