Данный отрывок вошел в статью в Астрономическом Календаре на 2000 и представляет собой очень короткий обзор современных представлений о физике процессов внутри Солнца.
Батурин В.А.
История вопроса о том, как устроено Солнце внутри, представляет блестящий пример взаимодействия и взаимопроникновения макро- и микрофизики. В сущности, Солнце представляет собой плазменный шар, то есть состояние материи, характеризующееся интенсивным взаимодействием материи и излучения. Поэтому при исследовании недр не приходится рассчитывать на помощь наблюдений каких-либо длин волн, отличных от электромагнитного излучения.
Все классические представления о недрах Солнца являются, по сути, результатом экстраполяции весьма малого числа наблюдаемых характеристик Солнца - массы, радиуса и светимости, на условия в глубоких недрах. Эта экстраполяция выполняется на основе трех основных гипотез о физическом равновесии. Первая из них – это предположение о гидростатическом равновесии, была применена еще в конце прошлого столетия в пионерских работах Г.Лейна и А.Риттера. Несмотря на кажущуюся простоту гипотезы, только на ее основе уже можно оценить порядок температуры, давления и плотности в центре Солнца. Вторая гипотеза, у истоков которой стоял А.Эддингтон, связывает квантовые свойства вещества со способностью переносить поток энергии путем переизлучения. Последовательное применение этого принципа дает, во-первых, профиль температуры в недрах звезды, а во-вторых, ведет к выводу о наличии специальной области во внешних слоях Солнца, где тепло переносится конвективной теплопроводностью. Разделение Солнца на внешнюю конвективную зону и лучистые недра составляет важнейший результат теории внутреннего строения. Подчеркнем, что принцип равновесия лучистого переноса полностью опирается на результаты расчетов непрозрачности, выполненных методами теоретической физики.
Прежде чем переходить к последней гипотезе, вспомним о другом принципиальном вопросе строения звезд, решение которого составляет ядро астрофизики двадцатого столетия. Речь идет об источнике энергии звезд. Не останавливаясь на ранней истории, вспомним лишь работы выдающихся физиков Г.Гамова и Х.Бете (Нобелевский лауреат 1967 года), заложивших основы современной количественной теории ядерного синтеза и энерговыделения в звездах. Характерное время реакции превращения водорода в гелий, протекающей на Солнце в весьма “холодных” условиях, хорошо согласуется с предполагаемым возрастом звезд и, в частности, с оценками возраста современного Солнца – 4.5 – 4.7 млрд. лет.
Для астрофизики даже более важно другое следствие идеи ядерного горения. Как результат такого горения должна происходить химическая эволюция в звездах Вселенной, состоящая в превращении первичного водорода и гелия в более тяжелые элементы. В применении к Солнцу, гипотеза эволюции химического состава в равновесном ядерном горении водорода позволяет сформулировать и решить замкнутую задачу о внутреннем строении, причем с точностью, зависящей лишь от точности микрофизических расчетов непрозрачности и скорости ядерных реакций. В такой постановке представления о внутреннем строении сформировались в 50-ых годах, пока их правильность не стала подвергаться сомнению в связи с экспериментами по регистрации нейтрино.
Нейтрино - элементарные частицы, обязательно возникающие в реакциях превращения водорода в гелий, но очень слабо взаимодействующие с веществом и поэтому легко покидающие Солнца, и пронизывающие огромные пространства без потерь. Эксперименты по регистрации нейтрино, проводимые с начала 60-ых Р.Дэвисом, неизменно указывали на дефицит этих частиц от Солнца. Дело в том, что общее число нейтрино всех энергий очень жестко определятся фундаментальными законами сохранения и общей светимостью Солнца, и казалось, что решением обнаруженного противоречия может быть лишь изменение исходных представлений о физике внутреннего строения, либо “реструктуризация” модели так, чтобы уменьшить число высокоэнергетических нейтрино, только и регистрируемых в экспериментах Дэвиса. Хотя такая перестройка и возможна, но требует отказа от некоторых из основных гипотез о внутреннем строении. Истинную природу противоречия прояснили нейтринные эксперименты с детекторами другого рода, позволяющие регистрировать более широкий спектр нейтрино. Они дали еще более низкий поток, который входит в противоречие даже с результатами Дэвиса! Тем самым, решение проблемы отодвинуто из астрофизики в область физических представлений о природе самих нейтрино, например, о возможности и превращения из одного состояния в другое.
Значительно более продуктивным оказался вклад гелиосейсмологии (см более подробный обзор в следующем разделе) в задачу о внутреннем строении. Как результат, были получены прямые измерения глубины конвективной зоны, и, независящие от модельных гипотез, оценки содержания гелия в конвективной зоне. Финальным элементом этой астрофизикой задачи стало родившееся в 90-ых годах и основанная на полученных результатах, дополнительная гипотеза о медленном гравитационном осаждении гелия на фоне водорода как принципиальном процессе химической эволюции. После включения этого механизма в теоретические расчеты, модели внутреннего строения демонстрируют удивительно хорошее согласие с прямыми оценками скорости звука и температуры с глубиной.
Гелиосейсмология возникла менее полусотни лет тому назад как новый астрофизический метод изучения внутреннего строения и физических процессов на Солнце. Почти за 40 лет этот метод быстро развился от первоначального понимания основных механизмов до получения абсолютно новых результатов широкого прикладного значения.
Современный взгляд на характер распространения звука в недрах Солнца и на природу наблюдаемых в фотосфере волн различных частот и длин, сформировался к концу 70-х годов. Эти представления базируются на следующих предположениях.
В тонком слое на глубине 75-150 км под фотосферой, в области интенсивного конвективного перемешивания генерируются звуковые волны, как "шум кипящей плазмы". Точнее говоря, генерация происходит в стекающих вниз потоках холодного вещества, в которых по некоторым, еще неясным, причинам резко увеличивается плотность вещества и образуется область пониженного давления (происходит как бы хлопок). Рожденные в этих процессах звуковые волны распространяются по всем направлениям, но более всего вниз, к центру Солнца. Внешние слои (фотосфера и верхняя часть конвективной зоны) непроницаемы для звука, идущего снизу вверх, и, тем самым, образуют "колокол" (резонатор), внутри которого "накапливается" звуковая энергия. Важной физической особенностью является то, что звук в недрах распространяется почти без затухания и рассеивания энергии. При этом на сегодняшний день остается открытым вопрос о том, что является основным механизмом для стока энергии – возможно, это поглощение энергии волн в активных областях с последующей трансформацией в нижней хромосфере. Возбужденный волновой пакет может обежать вокруг (или пройти насквозь) Солнца от десяти до сотен раз, сохранив свою индивидуальность. Данное свойство часто связывают с глобальностью колебаний.
Эти физические предположения лежат в основе метода интерпретации волн с помощью математического анализа собственных колебаний и их спектра.
Метод состоит в разложении общей картины на независимые элементарные колебания, каждое из которых (собственная мода) характеризуется тем, что локальные параметры среды меняется со временем по простому синусоидальному закону. Кроме того, во всех точках системы частота и фаза одинакова. Каждая мода, помимо частоты w , характеризуется еще тремя целыми числами - порядком n, степенью l и азимутальным числом m. Качественно можно сказать, что эти числа соответствуют фазовым длинам волн в радиальном направлении (порядок моды) и по широте и долготе (степень и азимутальное число вместе).
Спектральное представление является несколько формальным, поскольку собственные моды не могут существовать отдельно, в чистом виде (для этого нужны слишком специальные начальные условия возбуждения). Однако их использование значительно упрощает интерпретацию волновой картины.
Моды с одинаковой поверхностной фазовой скоростью распространяются вглубь лишь до фиксированной глубины. Это означает, что они захвачены в концентрических сферических резонаторах, нижние границы которых образуют горизонты рефракции звука от более горячих слоев Солнца.
Сравнивая параметры мод с близкими по размерам областями распространения, можно получить характеристики среды именно в слое, расположенном между нижними границами двух резонаторов. Таким путем можно восстановить зависимость скорости звука от глубины, что является самой важной характеристикой среды, определяющей распространение звука.
Зависимость скорости звука от глубины была использована для получения непосредственной оценки глубины конвективной зоны. Она оказалась равной 29% радиуса Солнца. Кроме того, знание скорости звука позволила проверить правильность и точность существующих теоретических моделей внутреннего строения Солнца.
Оценка глубины конвективной зоны производится по точке резкого изменения градиента температуры, хорошо заметной на профиле скорости звука. Важно, что такое определение глубины не зависит от наших представлений о динамических свойствах конвекции или о непрозрачности плазмы в недрах Солнца и тому подобных косвенных факторов. Напротив, оно является непосредственным измерением структуры современного Солнца.
Косвенным результатом изучения профиля скорости звука можно считать определение содержание гелия во внешней части Солнца. Значение этого параметра для астрофизики огромно, поскольку, к сожалению, содержание гелия в фотосфере Солнца нельзя определить спектроскопическими методами. Действительно, определения, выполненные на основании спектроскопии хромосферных и корональных структур (например, протуберанцев) слишком грубы и непосредственно не связаны с внутренним химическим составом Солнца. Долгое время знания о содержании гелия на Солнце (а значит и в Солнечной системе) базировались на чисто теоретических расчетах солнечной эволюции. Гелиосейсмология и в этом случае дает независимую оценку содержания гелия по массе на уровне 24-25%. Это несколько ниже эволюционной оценки (28%) и привело к необходимости пересмотра представлений о химической эволюции на Солнце. Теперь стало ясно, что необходимо учитывать гравитационное осаждение гелия в водороде.
Другим принципиальным результатом гелиосейсмологии является определение зависимости скорости вращения солнечных слоев как от глубины, так и от широты (дифференциальное вращение).
Наблюдаемое вращение внешних слоев говорит о том, что быстрее всего вращается вещество на солнечном экваторе, с частотой около 450 нГц (период - 25 дней). Кроме того, скорость вращения падает к высоким широтам, составляя 360 нГц (32 дня) на широте 60 град.
Гелиосейсмические исследования зависимости вращения от глубины обнаруживают, что собственно дифференциальный характер вращение имеет только внутри конвективной зоны, тогда как в лучистой зоне вращение становится твердотельным и происходит со скоростью 430-440 нГц. Иными словами, глубже конвективной зоны угловая скорость не зависит ни от широты, ни от радиуса.
Зависимость вращения от широты в конвективной зоне в основном повторяет дифференциальное вращение на поверхности, по крайней мере, вплоть до широт 60-70 градусов. Главные особенности связаны с двумя "слоями сдвига" - тахоклинами. Одним из них является приповерхностная область, с толщиной 5% радиуса Солнца, а другой - область перехода к твердотельному вращению около основания конвективной зоны. Это чуть более толстый слой - до 10% радиуса. Он размещен под основанием конвективной зоны. Данные о вращении ядра не столь надежны, но возможность слишком быстрого вращения, по-видимому, исключается. Вряд ли она превышает 500 нГц, что соответствует периоду 22-23 суток.
Помимо исследования общих характеристик с помощью глобальных мод, в последнее время получают все большую популярность идеи местного зондирования и изучения локальных особенностей. Конечно, сами волны остаются теми же, что и раньше – но их наблюдения на малых площадках позволяют сфокусироваться на локальных явлениях. Основными направлениями исследования являются: обнаружение локальных циркуляционных потоков в конвективной зоне, как зональных (то есть областей ускорения и замедления вращения на разных широтах), так и меридиональных (обнаружены течения от экватора к полюсам со скоростью до 30 м/с); томография внутреннего строения активных областей и пятен - выяснение, как глубоко магнитные структуры простираются вглубь (вероятно, от 5 до 10 Мм). Еще одним приложением может служить восстановление особенностей невидимого полушария Солнца и обнаружение в них активных областей до того, как они повернуться к нам.