Rozdział I Słońce jako gwiazda

Awatar użytkownika
tafig
Posty: 380
Rejestracja: 7 lut 2019, o 20:36
 Polubił: 44 times
 Polubiane: 42 times
Kontakt:

Rozdział I Słońce jako gwiazda

Post autor: tafig »

1. Jedna z hipotez powstania.

Historia naszego Słońca rozpoczęła się przed 6-ciu,a może 7-miu lub 8-miu miliardami lat od tego, że olbrzymi wręcz bo przekraczający wiele set razy dzisiejsze rozmiary naszego Układu Słonecznego obłok materii międzygwiazdowej, początkowo nadzwyczaj rzadki, z wolna zaczął się stopniowo kurczyć. Działo się to pod wpływem siły wzajemnego przyciągania atomów wodoru, z jakich, poza bardzo nieznacznymi śladami cięższych pierwiastków obłok ów wyłącznie się składał. W przeciągu niewyobrażalnie długiego czasu ten konwekcyjny ruch nie ustawał, a jednocześnie szybkość jego stopniowo wzrastała, w miarę jak w punkcie wspólnego środka ciężkości części obłoku tworzyło się jądro o wzrastającej gęstości i stale zwiększającej się sile przyciągania. Oprócz ruchu konwekcyjnego doszło do wzbudzenia drugiego jeszcze ruchu; w związku z tym olbrzymi ten twór w czasie konwekcji zaczął obracać się wokół siebie. Wywołane przez to siły odśrodkowe ponadto jeszcze całość spłaszczyły. A ponieważ w okresie późniejszym ze stosunkowo bardzo małych "resztek" kurczącego się w ten sposób obłoku powstały planety, które wraz z meteorami, kometami i pyłem międzyplanetarnym stanowią tylko nieco więcej jak 0,1% a na Słońce przypada 99,9% masy całego Układu Słonecznego, cały ten bieg zdarzeń wyjaśnia, dlaczego wszystkie planety naszego Układu krążą wokół Słońca w tym samym kierunku i w tej samej płaszczyźnie. W ciągu dalszego wzrostu konwekcji tej potężnej ilości materii powstały w końcu warunki fizyczne niewystępujące poza tym nigdzie w naturze i nie dające się odtworzyć nawet w przybliżeniu w ludzkich laboratoriach pomimo wszelkich osiągnięć współczesnej techniki. Właśnie te warunki pozwoliły na to, aby z tej kurczącej się z wolna pustej przestrzeni ogromnej kuli wodoru powstało przed kilku miliardami lat Słońce. Chociaż gwiazda ta jeszcze dzisiaj jest dla nauki naszej czymś osobliwym, stanowi ona nie tylko gwarancję lecz także prapoczątek naszego istnienia.

2. Narodziny Nowoczesnej Astronomii.

Od zarania życia ludzie zastanawiali się nad wieloma problemami dotyczącymi naszej dziennej gwiazdy. Obserwowane położenie i ruchy ciał niebieskich służyły do orientacji w przestrzeni i do odmierzania czasu na Ziemi; niebo było kompasem, zegarem i kalendarzem, szczególnie cennym w żegludze morskiej. Jest rzeczą znamienną, że najpoważniejszy traktat astronomiczny napisany przed Kopernikiem, Almagest Ptolemeusza /II w.n.e/ reprezentujący wysoki, jak na owe czasy poziom matematyczny, nie wychodzi z ram naiwnego geocentryzmu pomimo sprzeczności z wieloma obserwowanymi faktami. Na przełomie XV i XVI wieku zastał Kopernik w Astronomii stan głębokiego kryzysu; system Ptolemeusza, wielokrotnie poprawiany, głównie przez astronomów arabskich, nie dawał zadowalającej zgodności, choćby tylko formalnej, z obserwacjami, skutkiem czego Astronomia nie mogła należycie spełniać nawet swej roli służebnej. Wyczuwało się potrzebę gruntownej reformy, rewizji samych założeń systemu. Logika i intuicja podpowiadały Kopernikowi, że w tej machinie Słońce jest ciałem centralnym; oświetlając i ogrzewając planety, posiada ono również siłę utrzymywania ich w stałej od siebie odległości. Ziemia natomiast, pomimo, że jest mieszkaniem człowieka, ma w tym mechanizmie rolę podrzędną; podobnie jak inne planety krąży wokół Słońca, ponadto obraca się dookoła własnej osi, która jednakże nie zachowuje stałego kierunku w przestrzeni, tylko powoli / w okresie 26000 lat / zatacza stożek. Kiedy z Norymberskiej drukarni przywieziono do Fromborka pierwszy egzemplarz /De Revolutionibus Orbium Coelestium/ O obrotach sfer niebieskich, Mikołaj Kopernik kończył swój ziemski żywot. Nie mogli wówczas przeczuć nieliczni czuwający przy nim przyjaciele, ani on sam, nieobecny już umysłem, że w owej chwili rodziła się nowa epoka dziejów ludzkości. Od tego czasu Astronomia nie była nauką tylko o ruchach ciał niebieskich ale także nauką o właściwościach tych ciał.

3. Wielkoskalowe właściwości Słońca.

& Promień Słońca Ro można wyznaczyć na podstawie pomiaru rozmiarów kątowych jego tarczy – około pół stopnia, oraz znajomości jego odległości od Ziemi, czyli jednostki astronomicznej. W wyniku otrzymujemy
R ₀ = 700 000 km

& Masę Słońca Mo wyznaczamy znając przyspieszenie Ziemi w jej ruchu orbitalnym. Zgodnie z prawem Newtona przyspieszenie to zależy od masy Słońca oraz od odległości Ziemi od Słonca. W wyniku dostaje się masę Słońca około 330 000 razy większą od masy Ziemi czyli;
Mo = 2 x 10³ ³ g.

& znając masę i promień Słońca możemy określić również jego średnią gęstość , która jest równa
1,4 g/ cm³
czyli nie wiele więcej od gęstości wody.

& Innym ważnym parametrem jest ilość energii wypromieniowana przez Słońce w jednostce czasu, czyli jego jasność energetyczna. Wynosi ona
L ₀ = 4 x 10³ ³ erg/s

Czyli ponad 10² ³ kilowatów. Dzieląc L₀ przez pole powierzchni Słońca 4𝝅R₀², otrzymujemy energię wypromieniowaną w ciągu jednej sekundy przez jeden cm ² powierzchni Słońca. Zamiast tej wielkości podaje się jednak zazwyczaj tzw. Temperaturę efektywna Słońca T₀ = 6000 K . Temperatura efektywna jest bliska rzeczywistej temperatury ciała wysyłającego energię w postaci fotonów. Stwierdzenie to tylko w przybliżeniu, jednak w zupełności wystarcza dla naszych rozważań jakościowych. Wnioskujemy z tąd, że temperatura Słońca jest bliska 6000 K.

4. Przebieg temperatury i gęstości we wnętrzu Słońca.
Interesującym problemem jest określenie zmian temperatury i gęstości materii słonecznej w funkcji odległości od środka Słońca. Oczywiście w tym wypadku odwołujemy się do rozważań czysto teoretycznych. Ponieważ siła grawitacji przyciągająca materię ku środkowi rośnie z głębokością, ciśnienie również musi wzrastać w miarę zbliżania się do środka Słońca.
147549983_250909556480690_5416465068615516500_n.jpg


Na rys.1 pokazałem przebieg temperatury od środka do powierzchni Słońca a na rys 2 przebieg gęstości od środka do powierzchni Słońca. Poczynając od wartości dla środka Słońca
T =16 x 10 ⁶ K i g = 160g/cm ²
Zarówno temperatura jak i gęstość maleją bardzo szybko ku powierzchni. To tylko niektóre z właściwości jakimi odznacza się nasz Słońce, ale czy tylko Słońce? Wystarczy spojrzeć w rozgwieżdżone niebo a zobaczymy wiele słońc podobnych naszemu. Dzięki ścisłym badaniom Słońca coraz to lepiej poznajemy procesy zachodzące na innych od nas bardzo odległych gwiazdach.

& 5 Źródła energii Słońca.
Nad pochodzeniem energii promieniowanej przez Słońce zastanawiano się już w ubiegłym wieku. Sądzono wówczas, że źródłem tak wielkich ilości energii może być tylko kontrakcja /kurczenie się/ grawitacyjna. Dopiero później gdy fizyka jądrowa osiągnęła już swój dzisiejszy poziom stwierdzono, że energia promieniowana z powierzchni Słońca jest produkowana w jego jądrze, tj. w obszarach centralnych., w wyniku zamiany czterech jąder wodoru w jedno jądro helu. Cztery jądra wodoru są nieco cięższe od jednego jądra helu; różnica mas jest wydzielana w postaci energii. Masa m może zamienić się w energię,
E = m x c ²
gdzie c jest prędkością światła. Różnica między masą czterech jąder wodoru i masą jednego jądra helu odpowiada energii około 27 MeV, czyli 4,3 x 10 ⁻⁵ ergów. Proces o takiej wydajności może podtrzymywać promieniowanie Słońca przez odpowiednio długi czas a straty promieniste są uzupełniane przez procesy jądrowe, a zwłaszcza przez reakcję zamiany wodoru w hel zwaną również łańcuchem proton- proton. Pierwszym ogniwem owej reakcji jest połączenie ze sobą dwóch jąder wodoru /protonów/. Oba takie protony są oczywiście naładowane dodatnio i odpychają się zgodnie z prawem elektrostatyki. Nie mniej jednak, jeżeli odległość między nimi stanie się bardzo mała, to dominującą rolę zaczną odgrywać siły jądrowe, które są siłami przyciągającymi. Aby jednak zbliżyć się do siebie na bardzo małą odległość protony muszą w jakiś sposób przezwyciężyć siły odpychania elektrostatycznego, czyli tzw. barierę kulombowską. Protony muszą mieć pewną energię kinetyczną pozwalającą im pokonać barierę kulombowską i zbliżyć się do siebie na odległość, w której zaczną działać przyciągające siły jądrowe. Obdarzenie przynajmniej części protonów odpowiednio dużymi energiami kinetycznymi wymaga ogrzania gazu , w skład którego one wchodzą, do temperatury 10⁷ K. Im wyższa jest temperatura tym większa jest średnia energia kinetyczna cząstek i tym więcej protonów ma energię wystarczającą do zapoczątkowania łańcucha p – p. Dwa protony działające na siebie siłami jądrowymi tworzą jedno jądro złożone. By jądro to mogło być trwałe, jeden z ładunków dodatnich musi być usunięty, czyli innymi słowy, jeden z dodatnio naładowanych protonów musi ulec przemianie w obojętnie elektrycznie neutron. Może to nastąpić wskutek emisji pozytonu /cząstki β ⁺/, który ma taką samą masę jak elektron, a więc znacznie mniejszą od masy protonu, ale obdarzony jest ładunkiem dodatnim. Równocześnie z pozytonem nowe jądro wysyła również neutrino, cząstkę pozbawioną masy spoczynkowej, nie mniej jednak unoszącą pewną energię kinetyczną. Ponieważ neutrino prawie nie oddziałuje z materią, unosi ono tę energię ze Słońca. Wysyłanie dodatnio naładowanego pozytonu nie jest jedynym sposobem, który może spowodować zamianę protonu w neutron, jest to jednak jedyny sposób dostępny dla cząstek wewnątrz Słońca. Energia kinetyczna odpowiadająca temperaturze wnętrza Słońca jest niewystarczająca do powstania cząstek innych niż pozytony. W warunkach panujących w jądrze Słońca przeciętny proton ma szansę wejść w opisaną wyżej reakcję z drugim protonem po upływie 10 ¹⁰ lat. Znaczy to, że przeciętny proton znajdujący się we wnętrzu Słońca i zderzający się ustawicznie z innymi jądrami po upływie 10¹⁰ lat zbliży się do drugiego protonu na tak małą odległość, że złamana zostanie bariera kulombowska i powstanie jądro złożone. Reakcje takie zachodzą więc stosunkowo rzadko. Niemniej jednak we wnętrzu słońca jest wystarczająco dużo protonów, by pomimo niewielkiego prawdopodobieństwa zachodzenia poszczególnych reakcji, łączna ich liczba była wystarczająca do uzupełnienia promienistych strat Słońca. W każdym razie wynikiem połączenia się dwóch protonów jest wysłanie jednego pozytonu, jednego neutrina oraz utworzenie jądra ciężkiego wodoru ²H, czyli izotopu wodoru, którego jądro składa się z jednego protonu i jednego neutronu. Jądro ciężkiego wodoru może przyłączyć jeszcze jeden proton, przy czy prawdopodobieństwo tej reakcji jest znacznie większe niż pierwotnej reakcji proton-proton. W wyniku przyłączenia tego protonu powstaje jądro izotopu helu ³He. Zbudowane jest ono z dwóch protonów i jednego neutronu. Różnica między sumą mas wyjściowego jądra ciężkiego wodoru plus protonu oraz masą ³He zamienia się wewnątrz jądra w energię wydzielaną w postaci fotonów, czyli fotonów o bardzo dużej energii. Powszechniej występujące trwałe jądro helu He⁴ zawiera dwa protony i dwa neutrony. Budowa tej cząstki jest ostatnim ogniwem omawianego łańcucha przemian. Możliwe jest tutaj kilka reakcji choć najbardziej prawdopodobne jest oddziaływanie między dwoma jądrami ³He. Wobec 10 ¹ ⁰ lat charakteryzujących tempo przebiegu pierwszej reakcji łańcucha, ostatnia reakcja przebiega niemal „natychmiast”- średnio po 10⁶ latach. Wynikiem oddziaływania dwóch jąder ³He jest pojawienie się dwóch protonów oraz jądra ⁴He. Opisane trzy etapy można przedstawić za pomocą następujących równań:

¹H + ¹H  ²H + B ⁺ + v
²H + ¹H ³He + γ
³He + ³He ⁴He + ¹H + ¹H

gdzie B ⁺ oznacza emisję pozytonu, v – emisję neutrino/ cząstki o masie zerowej unoszącej energię/ γ - kwant promieniowania. W tym miejscu łańcuch urywa się, ponieważ jądro ⁴He jest trwałe, przynajmniej w warunkach panujących we wnętrzu Słońca. Pozostałe dwa protony mogą uczestniczyć w następnych reakcjach proton-proton. Energia 27MeV, o której wspomniałem na początku unoszona jest przede wszystkim przez dwie cząstki β ⁺, dwa neutrina produkowane w dwóch rozgałęzieniach łańcucha prowadzących do powstania cząstki ³He, oraz przez fotony. Neutrina praktycznie nie oddziałują z materią słoneczną. Cząstki β ⁺ spotykają się z elektronami obficie występującymi we wnętrzu Słońca ulegają anihilacji / - termin fizyczny określający zjawisko znikania cząstki i antycząstki/ przy ich spotkaniu się. W miejsce anihilujących cząstek powstaje promieniowanie elektromagnetyczne zwane promieniowaniem gamma, przy czym łączna masa i energia kinetyczna obu cząstek /elektronu i pozytonu /ulega zamianie w fotony gamma. Ostatecznie, po uwzględnieniu strat energii unoszonej przez neutrina 25 MeV energii ulega zamianie w fotony gamma we wnętrzu Słońca, tj. w tych obszarach, w których zachodzą reakcje jądrowe. Wszystkie opisane dotychczas procesy były procesami zachodzącymi we wnętrzu Słońca. Jak już zdążyliśmy zauważyć, energia jest produkowana w jądrze Słońca przede wszystkim w postaci fotonów gamma. Jednak większość energii opuszczająca powierzchnię Słońca zawarta jest w obszarze widzialnym widma. Przypuszczamy, że sytuacja ta jest stacjonarna w tym sensie, że w każdej jednostce czasu tyle samo energii jest produkowane we wnętrzu Słońca, ile opuszcza jego powierzchnię.

& 6 Transport energii z jądra Słońca na powierzchnię. Cdn.
Koordynator Sekcji Obserwacji Słońca PTMA
TN 114 x 900 z wytrawionymi lustrami okular UWA 9mm
TN 200 x 1000
ODPOWIEDZ