Що станеться, якщо Сонце зупиниться? Частина 2: Кельвін і Гельмгольц на готові

Це частина 2 серії про те, що станеться, якщо Сонце зупиниться. Спочатку прочитайте частину 1.

Коли ви розігріваєте плиту, щоб нагріти сковороду для приготування яєць, вам потрібно трохи почекати. Потрібен час, щоб тепло проникло в метал. Коли сковорода достатньо нагріта, ви готуєте свої яйця, а коли закінчите, можете сісти і з'їсти їх, поки сковорода повільно охолоджується сама.

Сонце трохи більше, ніж сковорода, але основна фізика залишається такою ж. Колись Сонце, або точніше холодна хмара газу та пилу, яка стане Сонцем, була холодною. Тепер вона гаряча. Це зайняло час, щоб стати гарячою. І поверхня Сонця піддається холодному вакууму космосу, постійно випромінюючи своє тепло в темряву, постійно охолоджуючись.

Все це означає, що термоядерний синтез не є самою гарячою сковородою. Термоядерний синтез — це полум'я під нею. Термоядерний синтез підтримує Сонце теплим. Якщо забрати полум'я, Сонце все ще залишиться теплим, принаймні на деякий час, адже, як і все гаряче, йому потрібно час, щоб охолонути.

Насправді, швидкість термоядерного синтезу налаштована з вражаючою точністю, щоб підтримувати Сонце лише трохи теплим, щоб уникнути катастрофи, через не зовсім магічний процес, званий гідростатичною рівновагою.

Ось як це працює. Сонце — це гігантська куля газу, настільки велика, що її власна гравітація завжди намагається стиснути її. І коли велика куля газу стискається в менший об'єм, вона нагрівається. У 19 столітті астрономи дійсно були в розгубленості щодо того, як Сонце змогло залишатися теплим так довго. Тому в 1854 році німецький аристократ на ім'я Герман фон Гельмгольц запропонував, що, можливо, воно залишалося теплим просто повільно стискаючись. Почніть з великої кулі газу, дайте їй стиснутися, спостерігайте, як вона нагрівається, дайте цьому теплу втекти у вигляді прекрасного сонячного світла, дайте їй ще трохи стиснутися і підтримуйте весь цикл.

Через десятиліття інший аристократ, адже це був дуже багато епоха «якщо ви хочете бути вченим, то дуже корисно бути незалежно заможним», взявся за цю проблему. Вільям Томсон, перший барон Кельвін, лорд Кельвін для нас простих людей, провів більш ретельні розрахунки, щоб визначити тривалість життя Сонця. І він отримав неправильну відповідь.

Він розглядав кілька можливостей, але зазвичай зупинявся десь на кількох десятках мільйонів років. Довгий час, безумовно. Але це було дуже далеко від того, що геологи, а пізніше й біологи, знаходили. Вони приходили до віку Землі в сотнях мільйонів, навіть мільярдах років. Протягом десятиліть після цього астрономи стали об'єктом жартів у наукових колах (мене не цікавить обговорення будь-яких сучасних паралелей), частково тому, що лорд Кельвін був так голосно і публічно впевнений у своїх числах, які, як зазначалося, були дуже неправильними. Потрібно було дочекатися 1920-х років і народження ядерної фізики, перш ніж хтось зміг запропонувати джерело енергії, яке дозволить Сонцю горіти мільярди років.

Але навіть якщо лорд Кельвін був неправий, він був неправий у глибоко корисний спосіб. Оскільки він нічого не знав про термоядерний синтез, саме його розрахунки ми використаємо, щоб з'ясувати, що станеться, якщо термоядерний синтез зупиниться. Тож дякую, я гадаю.

І ось справді прекрасна частина: ядерний синтез регулює себе. Якщо Сонце трохи стискається, ядро стискається, більше протонів отримують можливість швидко зіштовхуватися один з одним, і швидкість синтезу зростає, що нагріває ядро і виштовхує його назад назовні, охолоджуючи все. А якщо Сонце трохи розширюється, реакції синтезу сповільнюються, тиск знижується, і Сонце знову осідає. Термостат без рухомих частин.

Іншими словами, і термодинамічні фанати серед вас отримають справжнє задоволення від цього, Сонце насправді нагрівається, коли втрачає енергію. Це звучить абсолютно неправильно, але природа не зобов'язана бути інтуїтивною, особливо коли йдеться про самогравітаційні системи.

Термоядерний синтез налаштований точно так, щоб уникнути вибуху Сонця в спалаху слави або його колапсу в чорну діру. І виявляється, що «точно так» — це зовсім не багато термоядерного синтезу. Термоядерний синтез — це струмок, що заповнює величезний резервуар збереженого тепла, лише трохи достатнього, щоб підтримувати світло, не більше і не менше. Це означає, що якщо термоядерний синтез зупиниться, у нас все ще залишиться все це тепло, накопичене всередині Сонця, і ми все ще маємо механізм Кельвіна-Гельмгольца (так, Гельмгольц запропонував його першим, але Кельвін-Гельмгольц просто легше вимовляється, вибач, Германе), готовий підтримувати Сонце ще довше, просто дозволяючи йому стискатися.

Іншими словами, Сонце гаряче, тому що воно гаряче. Термоядерний синтез лише підтримує світло. І оскільки Сонце гігантське, переповнене, складне і неохайне, зміни всередині нього потребують дуже, дуже багато часу, щоб дати про себе знати.

Приклад: фотони.

У частині 3 ми слідуємо за одним фотоном на його абсурдній подорожі з Сонця, і дізнаємося, що сонячне світло на вашому обличчі старше за людську цивілізацію.