Сергей Язев

Лекции о Солнце

Предисловие

Эта книга содержит несколько лекций о Солнце. Если говорить точнее, не столько о самом Солнце, сколько о наших представлениях о нем. Эти представления со временем менялись, причем довольно существенно. По поводу сущности Солнца и того, что на нем происходит, выдвигались многочисленные версии, большинство из которых в конечном итоге оказались неверными.

Я попытался показать, как долгими веками шел путь познания природы дневного светила. Умозрительные рассуждения о Солнце постепенно сменялись научными гипотезами, и разброс во взглядах на нашу родную звезду медленно уменьшался по мере того, как научный метод позволял получать все больше информации о ней.

Вся история исследований Солнца показывает тесную связь общего уровня науки с возможностями гелиофизиков. Наука развивается по своим внутренним законам, отдельные направления науки помогают другим, все время выравнивая общий фронт научных исследований. Так, например, выдающиеся достижения в области спектрального анализа, сделанные в XIX веке, и будучи примененными в астрофизике, позволили сделать качественный прорыв в нашем понимании Солнца. Раньше это было невозможно.

До тех пор, пока стремительно развивавшаяся в ХХ веке физика не добралась до тайн микромира, приступив к изучению природы атомов и элементарных частиц, было невозможно появление гипотезы о термоядерных реакциях в недрах Солнца как источнике его гигантской энергии. Пока не появились внеатмосферные методы исследования, невозможно было узнать о многих образованиях на Солнце, излучающих только в рентгеновских и ультрафиолетовых лучах.

Из этой книги любознательные читатели, далекие от профессиональных занятий солнечной физикой (а книга адресована прежде всего им), узнают, каким сложным и драматичным был и остается путь исследователей Солнца.

В здание наших знаний о Солнце каждый исследователь укладывает свой кирпич (кусочек новых знаний). Кому-то удается уложить больше кирпичей, кому-то – меньше. Чей-то кирпич приходится выкорчевывать, когда становится ясно, что полученные знания неверны и опровергаются другими знаниями.

Здание знаний постепенно поднимается, темпы его строительства увеличиваются. Если 400 лет назад лишь несколько человек на нашей планете вглядывались в Солнце с помощью первых телескопов, размышляя о его природе, то сейчас светило изучают во всем мире несколько тысяч специалистов, используя самые современные достижения науки.

Иногда возникает ощущение, что здание близко к завершению, и остается лишь отделывать помещения и заниматься декором. Но в науке так уже бывало. Вполне может оказаться, что построенное здание окажется отдельным крылом более значительного здания, которое еще предстоит возводить, а кажущийся надежным фундамент окажется крышей иного сооружения, о котором мы и не подозревали. А может быть, завершающий (как нам кажется сегодня!) этаж послужит фундаментом для новых будущих грандиозных надстроек.

Это вовсе не означает, что научный метод плох и наука неэффективна. Это значит, что все идет как надо. Других эффективных способов познания мира у нас не существует.

Познание продолжается. Солнце оказалось слишком сложной физической системой (в чем, впрочем, никто никогда не сомневался), и существующие модели, описывающие происходящие на Солнце процессы, в большинстве своем, наверно, пока еще не вполне адекватны. В списке задач, лежащих перед гелиофизиками, присутствуют глубокие и серьезные вопросы, разбираться с которыми, похоже, ученым предстоит еще очень долго.

Всем исследователям Солнца всех времен, и, прежде всего, моим дорогим коллегам-солнечникам по Институту солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН, с которыми мы вместе уже более 40 лет, посвящается эта книга. Хочется надеяться, что камни, которые все мы (и каждый в отдельности) заложили в здание знаний о Солнце, останутся на своих местах и послужат основой для дальнейших построений.

Сергей Язев,

июнь 2018 года,

Иркутск

Лекция первая

Солнце на заре цивилизации

Солнце, сердце мира, свет нетленный,

Ты – дух, скрепивший рукопись Вселенной,

Небытия и бытия причина,

Источник жизни и ее вершина.

Икбал Мухаммад

Солнце – это то, что светит и помогает нам видеть. Солнце нужно, чтобы тепло было на Земле. Если бы его не было, было бы темно и грустно.

Алена Слизких, 7 лет

Давайте представим себе ощущения древнего человека. Цивилизации в современном смысле этого слова не существует. Нет домов, машин, механизмов, систем связи, искусственных материалов. Человек живет в примитивном жилище – это пещера или подобие шалаша. Его окружает удивительный и разнообразный, непонятный и поэтому крайне опасный мир. Огромная бескрайняя плоская земля, с ее холмами и равнинами, горами и водоемами населена множеством живых существ: насекомых, птиц, рыб и зверей. Живые существа движутся и явно обладают собственными стремлениями – подобно людям.

Но в мире есть не только звери и птицы. Человека окружают деревья, которые растут, а значит, тоже по-своему движутся (только медленно). Но иногда ветви деревьев начинают качаться! Даже мертвые, казалось бы, камни, порой двигаются – катятся вниз. Как живое существо ведет себя вода: она может быть тихой и неподвижной, а может с ревом двигаться, сокрушая все на своем пути. Свойства живого существа можно обнаружить у ветра. Более того, даже вся гигантская земля порой содрогается в конвульсиях землетрясений, как огромное животное. Для человека это означало, что весь мир наполнен живыми сущностями.

Высоко в небе летают птицы. Но еще выше птиц видны облака. Они тоже ведут себя как живые: все время меняются, движутся. Иногда из них льется вода, иногда падает снег. А еще выше облаков виден на небе яркий огонь, который ослепляет и на который можно смотреть без опасности утратить зрение только рано утром, либо поздним вечером, либо сквозь плотный туман. И тогда видно, что небесный огонь – Солнце – имеет удивительно круглую форму, как, пожалуй, ничто иное в мире. Но, находясь низко над горизонтом, Солнце тоже изменяется: становится (как мы сегодня знаем, из-за эффекта рефракции света в плотных слоях земной атмосферы) эллипсовидным, приплюснутым, а иногда приобретает другие сложные формы.

Человек давно заметил, что животворное согревающее тепло связано именно с Солнцем. Теплая земля быстро остывает, если нет Солнца. Полуденный зной сменяется прохладой заката. Если зимнее Солнце поднимается в небо ненадолго и невысоко, то греет оно слабо, и землю охватывают долгие холода. Создается впечатление, что движущееся по небу Солнце – тоже живое, ведущее себя по-разному в разное время, подобно людям и зверям.

Специалисты по этнографии едины в одном: мир первобытного человека был плотно населен духами. Живым было все! Живыми были листья, травы, камни, скалы, горы, реки. Живым был песок, и живой была глина. Живыми, безусловно, были и Солнце, и Луна, и звезды. Последние, как думалось людям, иногда падали с небес метеорами (яркими искорками на черном небе), а то и метеоритами (железными или каменными почерневшими обломками). Может быть, первым проявлением абстрактного мышления человека разумного было выделение в окружающих его элементах мира воображаемых жизненных сущностей – духов.

Наверное, человек не мог не ощущать разницу между листком на ветке и воображаемым духом листка. Дух листка, несомненно, обладал жизненной силой, он мог «захотеть», чтобы лист оторвался от ветки и полетел, а мог пожелать пребывания в покое. Человек допускал: дух камня может в принципе «захотеть», чтобы камень полетел вверх, а не вниз. Если это не происходит, то только потому, что духу камня это не нравится, и по какой-то причине он предпочитает перемещаться именно вниз.

Но так же, проявляя самостоятельность, ведет себя и Солнце! Оно каждый день ходит по небесной тропе, подобно крупному животному на водопой. Солнце самостоятельно, без каких-либо видимых внешних причин, меняет в течение года траекторию своего пути по небу, движется на небе то выше, то ниже. Более того, похоже, что Солнце гораздо «сильнее» многих других сущностей по многим очевидным причинам.

Общаясь с духами (как правило, через колдунов и шаманов), можно было просить духа воды усмирить свое буйство во время наводнения, просить духа дождя о ливне во время засухи, просить духа оленя поддаться во время охоты, чтобы накормить племя, просить духа Солнца, чтобы было, как всегда, светло и тепло днем.

Много позже у многих народов духи превращались в богов. Бог Солнца традиционно был одним из самых сильных и могущественных – это отражало жизненные наблюдения людей. Когда Солнце гневалось, губительные засухи сушили и испепеляли землю, и все живое погибало от страшной жары. Когда Солнце засыпало, болело или отворачивалось от людей, оно становилось низким, бледным, и землю сковывали зимние холода. Поэтому у множества народов Солнце ассоциировалось с главным или одним из главных богов, которых было, как правило, немало.

Известный специалист в области истории астрономии Бартел Ван дер Варден указывал в своем классическом труде «Пробуждающаяся наука. Рождение астрономии», что у древних арийцев в Иране и Индии был солнечный бог Митра. В клинописном тексте на глиняных табличках из знаменитой библиотеки Ашшурбанапала имя Митра приводится как одно из многих обозначений солнечного бога Шамаша. В более поздние времена на монументе Антиоха I из Каммагены один из четырех изображенных богов был указан под четырьмя именами – Аполлон, Митра, Гелиос, Гермес. Еще позднее, в эпоху Римской империи, Митра именуется Deus Sol Invictus, то есть «Бог Солнце Непобедимое». Не лишним будет указать, что культ Митры требовал кровавых жертвоприношений животных.

Японская богиня Солнца Аматерасу считалась первой среди более чем 800 божеств.

Могучий бог плодородия Ярило – воплощение Солнца у древних славян. Обряд масленицы – след славянского ритуала поклонения Солнцу. Округлая форма масленичных блинов напоминает нам о Солнце, прибывающем дне и приближающемся жарком лете.

У древних египтян бог Солнца Ра, изображавшийся в виде человека с головой сокола, увенчанной сияющим солнечным диском, совершал трудное и опасное путешествие на своей ладье через весь мир. Утром ладья Ра выплывала в небо, поднимаясь с востока, вечером спускалась на западе. Ночами Ра проделывал сложный маршрут в подземном темном царстве, преодолевая препятствия и сражаясь со страшными чудовищами. Своими ночными страхами и опасностями, таящимися в темноте, люди щедро делились с богами! Но, в отличие от людей, бог Ра всегда выходил победителем в схватках с монстрами подземного мира, и его ладья каждый раз вновь и вновь появлялась на востоке, озаряя светом замершую ночную землю.

Ежедневное исчезновение Солнца на западе и его новое появление на востоке породило у многих народов множество мифов и легенд о великом круговращении, повторении, умирании и воскрешении как основных механизмах и принципах, на которых построен мир.

Рис. 1. Египетский бог Солнца Ра

Любопытно, что транспортировка бога Ра по твердому небу осуществлялась при помощи ладьи – большой лодки. Для египтян перемещение по главной реке страны – Нилу – было основным и наиболее совершенным видом перевозки грузов. Поэтому египетские рисунки на папирусе и настенные фрески не показывают нам колесницу бога Солнца – в отличие от представлений греков, викингов, ведических племен Индии, у которых светило перемещается именно при помощи колесницы.

Директор Гриффитской обсерватории в Лос-Анджелесе Эдвин Крапп в своей книге «Астрономия. Легенды и предания о Солнце, Луне, звездах и планетах» обращает внимание еще и на то, что само Солнце походит на колесо, катящееся по небу.

Интересно, что у тех же египтян есть другой способ изображения Солнца – в виде крылатого диска. Понятно, что Солнце, двигаясь на огромной высоте, как птица, должно было пользоваться крыльями, – иначе как оно могло летать? Не исключено, что естественная мысль о крыльях могла появиться во время наблюдений солнечных затмений – во всяком случае, во время минимумов солнечной активности корона напоминает два симметричных протяженных крыла. Ассирийцы и персы тоже изображали Солнце в виде сияющего диска с крыльями, но у этого диска было еще и хвостовое оперение!

Это не единственный пример наделения богов чисто земными, привычными и наблюдаемыми на практике атрибутами. Вся мифология, связанная с греческими богами, – тому пример.

Впрочем, Солнце оказывалось богом далеко не всегда. Как указывает Эдвин Крапп, у многих народов мира мифические персонажи, олицетворявшие Солнце, отнюдь не являлись богами. Полинезийский полубог (наполовину человек, наполовину божество) насмешник и проказник Мауи однажды поймал Солнце с помощью веревочной петли, применив привычные навыки охоты на животных. Солнце было отпущено под обещание двигаться по небу медленнее. При этом сущность Солнца в полинезийском мифе не раскрывается: Солнце – это просто Солнце (впрочем, живое и, видимо, наделенное разумом, раз уж оно было способно давать и, тем более, выполнять обещания).

В новозеландском варианте мифа Мауи даже поколотил пойманное Солнце – никакой бог не позволил бы подобного обращения с собой! Солнце при таком рассмотрении выглядит вполне обычным и даже домашним персонажем, как конь или собака. Хозяин поймал лошадь и отхлестал – чтобы не убегала…

Индейцы племени чумашей в Южной Калифорнии представляли себе Солнце во вполне человеческом виде: некий бородатый обнаженный муж идет по канату, натянутому над миром, и несет факел, чтобы осветить и согреть Землю.

Существует замечательное описание процесса «разжигания» Солнца во время солнечного затмения. Индейцы привязывали горящие угольки к наконечникам стрел и стреляли вверх, надеясь снова поджечь потухшее светило. Технология оказалась эффективной: очень быстро Солнце снова ярко вспыхивало на небосводе. Очевидно, что в этом Солнце – просто источник света и тепла, подобный очагу.

Описывая затмения Солнца, создатели многих древних мифов считали, что разнообразные существа (демоны, чудовища либо мифические животные) настойчиво пытаются сожрать Солнце. В древнеиндийском эпосе излагается история, как демон по имени Раху (изображаемый, как правило, в образе дракона) отхлебнул напиток бессмертия. Солнце и Луна, заметившие этот возмутительный акт беззакония (демонам напиток не полагался), немедленно сообщили о случившемся богу Вишну. Рассердившийся Вишну поступил радикально – отрубил Раху голову. С тех пор успевшая заполучить свойство бессмертия голова дракона периодически пытается в отместку проглотить доносчиков – Солнце и Луну. Поскольку у Раху нет туловища, светила снова и снова выскальзывают из перерубленной глотки и убегают.

Следует обратить внимание: в этом мифе (и во многих иных) Солнце снова живое и разумное (способно разговаривать и убегать от опасности), но дополнительно о сущности Солнца ничего не говорится.

Мотив поедания Солнца как причина затмений довольно распространен у многих народов. Во всех подобных мифах природа Солнца не раскрывается – какой смысл о нем рассказывать, если все о нем и так знают? При этом ясно, что какая-нибудь лягушка, хотя бы и гигантская, – наверное, все-таки не соперник богу (иначе, что это за бог?) И если во вьетнамском мифе ей (лягушке) удается проглотить Солнце (хапнуть с неба, как какого-нибудь комара), то такое светило явно лишено божественного статуса. Это некий важный элемент мира, возможно, даже одушевленный – но все-таки не бог.

Рис. 2. Раху заглатывает Солнце. Солнечное затмение нередко воспринималось древними как акт пожирания Солнца сверхъестественными существами

Упомянем, что затмения в некоторых мифах рассматриваются не как акт поедания одного светила другим, а как акт их совокупления.

Во времена Древней Греции мир в умах просвещенных людей строился на иных принципах. Никто (или почти никто) здесь уже не говорил об одушевленности небесных светил. Картины мира, которые строили древнегреческие философы, указывали на Солнце как на некий физический объект, элемент окружающей нас природы.

Версий о сущности Солнца было множество. В их числе представление о том, что Солнце и Луна – некие светящиеся облака, которые сгорают, двигаясь по небу с востока на запад. Наутро ввысь поднимается новое облако – Солнце. Надо полагать, люди понимали, что если Солнце и облако, то все же какое-то необычное. Но, тем не менее – все-таки облако!

С давних времен людьми признавалась (точнее, предполагалась) огненная природа Солнца. Огонь, хорошо известный людям с тех пор, как они стали людьми, был непонятным, но привычным. Как и Солнце, огонь мог нести тепло и жизнь, а мог обернуться смертельным бедствием (например, в образе лесного пожара). Естественно, и ослепительное Солнце воспринималось как нечто горящее, раскаленное, огненное… Но все-таки, что это такое? Что горит в небесах, почему не исчерпывается необходимое для горения, как давно поняли люди, горючее?

Первые попытки дать обоснованные ответы на эти вопросы были предприняты носителями нового подхода к окружающему миру – первыми учеными, применившими научный метод к объяснению Вселенной. На самом деле, это еще не был полноценный научный метод, это были только его зачатки. Считается, что первые проявления науки, воспринимаемой в современном смысле, характерны для Древней Греции (хотя очевидно, что ростки новой методологии появлялись и раньше, например в Древнем Египте.

Описание истории науки обычно начинается с Фалеса из малоазиатской греческой колонии Милет, основателя так называемой ионийской школы философов. Он жил более двух с половиной тысячелетий назад – с 640/624 по 548/546 год до н. э. В списке из 12 астрономических достижений Фалеса фигурирует его утверждение: «Солнце и звезды состоят из земли, но при этом раскалены».

Некоторые достижения Фалеса в астрономии опровергаются специалистами, – в том смысле, что его утверждения были известны и ранее. Делая оговорку о том, что Фалес мог быть и не первым, повторим вслед за ним: Солнце состоит из раскаленной земли. Слово «земли» в данном контексте, видимо, надо интерпретировать так: из грунта, камня, из всего того же, из чего состоит и Земля, на которой мы живем.

Главным по отношению к Солнцу было утверждение, что весь видимый мир устроен одинаковым образом и вполне материален. Небесные тела, по Фалесу, состоят из вещества, подобное которому мы можем найти и на Земле. Разница только в температуре. Заметим, что причину нагрева Солнца «добела» Фалес не указывал (точнее, его рассуждения на этот счет неизвестны, и что он думал по этому поводу, мы, видимо, уже никогда не узнаем).

Развивал и уточнял идеи Фалеса его ученик Анаксимандр (610–546 годы до н. э.). Историк астрономии Алина Иосифовна Еремеева называет поразительными идеи, которые были высказаны этим величайшим умом древности. С ней можно согласиться! По Анаксимандру, мир начинался с холодного и влажного ядра-зародыша, окруженного раскаленной огненной оболочкой. Под воздействием жара оболочки влажное ядро высыхало, выделявшиеся пары под растущим давлением раздували оболочку. В конце концов, оболочка лопнула и распалась на ряд огненных колец. В центре мира осталась свободно парящая Земля в виде низкого цилиндра (она неподвижна, поскольку нет причины двинуться в ту или иную сторону). Одно из отслоившихся колец и породило Солнце.

Добавим заодно, что Анаксимандр был, по-видимому, первым мыслителем, который считал, что Земля в виде плоского диска не покоится на каком-то массивном фундаменте (слонах, черепахах и т. д.), а висит в центре мира. Воистину, представить себе висящий в пространстве и никуда не падающий гигантский тяжелый объект было непросто. Отказ от «подставок» под Землей – это грандиозный интеллектуальный прорыв, который был осуществлен Анаксимандром. Впрочем, эта замечательная идея к сущности Солнца отношения не имеет.

Ученик Анаксимандра Анаксимен (?–528/525 годы до н. э.), в отличие от своего учителя, полагал, что Солнце и Луна свободно парят в воздухе, уже «не привязанные» к соответствующим кольцам.

К ионийской школе примыкал еще один мыслитель, чьи высказывания по поводу Солнца сохранились до наших дней. Речь идет о Гераклите из Эфеса (540–480 годы до н. э.). Философ считал, что Солнце – это круглое вместилище в пространстве, заполненное светлыми и чистыми испарениями некоей огнеподобной субстанции, – основы всего мира. Гераклит полагал, что Солнце имеет размеры в один фут (чуть больше 30 сантиметров).

Философское направление, развивавшееся ионийской школой, обычно квалифицируется как учение, содержащее элементы стихийного материализма. Судя по всему, в создаваемые картины мира ионийские философы вносили процессы и явления, которые наблюдали своими глазами. Впечатляющие картины испарения воды и формирования облаков над морем, видимо, привлекались для использования в построениях описаний Вселенной. А пар под давлением, способный подбрасывать крышку сосуда, вероятнее всего, и навел Анаксимандра на мысль о разрушении раскаленной оболочки мира. Впрочем, дело было 25 веков назад, и теперь трудно воспроизвести ход рассуждений древнегреческих мыслителей…

Совершенно иной подход развивали последователи знаменитого философа и математика Пифагора (около 580 – около 500 года до н. э.). Пифагорейцы считали, что Вселенная состоит из нескольких (девяти или десяти) концентрических шаровых поверхностей – сфер, которые вращались вокруг единого центра. На сферах были жестко закреплены известные в те времена планеты, а также воображаемый Антихтон («Противоземля»). На самой далекой, последней сфере размещались неподвижные звезды. Замечательным свойством этой системы было то, что Земля впервые не являлась центром мира, а двигалась вокруг общего его центра, подобно другим планетам! Но в центре Вселенной Пифагора было вовсе не Солнце, как можно было себе представить. Там находилась некая таинственная Гестия («центральный огонь»).

О системе мира Пифагора известно из достаточно туманного изложения его последователя Филолая Кротонского в пересказе Диогена Лаэртского. Возможно, картина была бы яснее, если бы до наших времен дошли первоначальные тексты. Во всяком случае, если суммировать то, что известно о взглядах пифагорейцев, получается следующее. Вокруг «центрального огня» движется «Противоземля». Она нужна для того, чтобы загораживать Землю от «центрального огня», – собственно, поэтому мы его никогда и не видим. «Противоземля» всегда находится между Гестией и Землей, обеспечивая вечное «затмение» Гестии для земного наблюдателя. Кроме того, мы живем на той половине шарообразной Земли, которая всегда отвернута от Гестии, – и это тоже причина того, что никто никогда не видел своими глазами «центральный огонь».

На следующей за «Противоземлей» сфере находится Земля, за ней – Луна, затем Меркурий, затем Венера, и уже только за этой планетой – Солнце, совершающее за год один оборот вокруг «центрального огня». При этом Солнце – вовсе не источник света и тепла! По Филолаю, Солнце представляет собой нечто вроде полупрозрачного (стеклянного? хрустального?) шара. Этот шар только отражает (как зеркало), преломляет (как линза) и передает планетам тепло и свет «центрального огня». Уже упоминавшаяся А. И. Еремеева предположила, что эта идея возникла у пифагорейцев при изучении свойств стеклянных шариков, собирающих свет, – первых линз в руках человека.

Кроме того, в системе невнятно описан еще и некий, еще более таинственный, «внешний огонь», который разливается за пределами далекой сферы неподвижных звезд.

Итак, Солнце, по Пифагору (точнее, по Пифагору в интерпретации Филолая), – это своеобразное оптическое устройство со свойствами линзы и зеркала, чья функция – транслировать на планеты свет «центрального» и «внешнего огней». Оставалось только гадать, кто же сконструировал и построил такую Вселенную…

Воистину, Древняя Греция – это удивительное место и удивительная эпоха. Именно здесь и именно тогда, более двух тысяч лет тому назад, впервые возникали грандиозные и разнообразные идеи об устройстве мира. Если пифагорейцы видели мир гармоничным и подчиненным строгому математическому замыслу, то такой мыслитель, как, например, Анаксагор (500–428 годы до н. э.) представлял себе Солнце весьма «весомо, грубо, зримо». Он полагал, что Солнце – это оторвавшаяся от Земли в результате ее быстрого вращения громадная каменная глыба размерами с полуостров Пелопоннес (занимающий, между прочим, треть территории Греции). Сама идея означает, что Анаксагор был знаком с понятием центробежной силы. При этом, стремительно двигаясь сквозь наполняющую Вселенную субстанцию (мировой эфир), Солнце сильно раскалилось, став «огненным насквозь». Это первая известная нам попытка указать на огромные размеры Солнца! В те времена превалировала точка зрения о том, что Солнце имеет диаметр порядка одного фута, двух локтей и т. п. Кроме того, нагрев небесного тела за счет трения при движении сквозь некую среду – тоже великолепная идея, которая (не в случае с Солнцем) вполне соответствует законам природы, которые еще не были открыты, но уже нащупывались.

Анаксагору приписывается объяснение природы большого («с два воза») метеорита, рухнувшего на севере Греции в 470 или 467 году до н. э. Философ счел его куском Солнца (трудно не вспомнить носовского Незнайку, который пугал своих собратьев-коротышек жутким известием: «От Солнца оторвался кусок и летит к нам на Землю, и скоро нам всем будет крышка!»). Изучение метеорита, согласно легенде, привело Анаксагора к мысли, что все небесные светила включая Солнце и звезды – это просто раскаленные камни.

Замечательно и предложенное им объяснение, почему же эти глыбы не падают. Мыслитель считал, что к быстро вращающемуся твердому небу их прижимает центробежная сила! Но иногда случается притормаживание этого вращения, что может приводить к их падению.

Взгляды Анаксагора общественностью приняты не были, он подвергся гонениям и умер в изгнании. Еще бы – он предлагал проститься с представлениями об особой небесной (в том числе и божественной) сущности светил: Солнце в его картине мира было просто разогретым куском земной скалы… Впрочем, нечто подобное, хотя и не столь подробно, в свое время уже говорил Фалес…

Точки зрения сильно разнились. Современник Анаксагора Эмпедокл (около 490 – около 430 года до н. э.) был знаком с ним и слушал его выступления. Но Солнце, по Эмпедоклу, обладало иной сущностью. Диоген Лаэртский, излагая концепцию этого философа, писал: «Солнце он почитает обширным скопищем огня величиною больше Луны, Луну – кругловидной, небо же – кристаллообразным».

Вспоминая мыслителей Древней Греции, нельзя не вспомнить о великом философе и, пожалуй, первом настоящем физике в человеческой истории – Аристотеле (384–322 годы до н. э.). Аристотель критически осмыслил и обобщил, по сути, все разнородные и разнообразные учения того времени. Некоторые были им жестко и резко раскритикованы, некоторые включены в его собственную картину мира. При этом Аристотель основывался на наблюдениях и опыте, декларируя изгнание из науки бездоказательного вымысла. Многие детали мироздания были им подмечены совершенно правильно и точно. Но, с другой стороны, и в его собственном описании Вселенной есть немало умозрительных вещей, противоречащих опыту.

Рассуждения о достижениях Аристотеля уведут нас далеко от солнечной темы. Поэтому обратимся к цитате из сочинения Аристотеля «О небе», из которой сразу станет ясно, что же философ думал о природе Солнца.

«Земля неподвижна в центре мира, а Солнце и Луна вращаются вокруг нее, – писал Аристотель. – Наш огонь (видимо, тот, с которым мы имеем дело на Земле. – С. Я.) хотя бы по своему цвету не имеет ничего общего с солнечным белым сиянием. Солнце состоит не из огня, а из огромного количества эфира. Его тепло происходит от взаимодействия эфира при движении вокруг Земли».

По-видимому, это высказывание Аристотеля требует комментариев. Из чего построена Вселенная? Эмпедокл предлагал четыре основных элемента – землю, воду, воздух и огонь. Из них, согласно его учению, состоит все в мире, и если вещества отличаются друг от друга, то только потому, что в них разное сочетание этих элементов – например, больше или меньше воды. Аристотель принял идею Эмпедокла, но добавил к ней еще один, пятый элемент (quinta essentia, или квинтэссенцию, как позднее назвали его на латинском языке).

Болгарские астрономы и популяризаторы науки Никола Николов и Владимир Харлампиев в своей книге «Звездочеты древности» так описывают Аристотелеву картину мира: «Согласно Аристотелю, Вселенная имеет следующую структуру: самые тяжелые элементы – земля и вода – остаются внизу, над ними располагается слой воздуха и еще выше простирается самый легкий элемент – огонь. Так построена часть Вселенной до Луны, и эту часть Аристотель называл элементарным, подлунным или земным миром. Над нею находится более совершенный надлунный мир. Луна, Солнце и планеты состоят из эфира, но не вполне чистого, поскольку они расположены не очень далеко от Земли. Из самого лучшего эфира сделаны звезды и небесная сфера, к которой они прикреплены».

Итак, Солнце у Аристотеля представляет собой сгусток таинственного «пятого элемента» – эфира, причем вдобавок не совсем чистого (видимо, с примесями как минимум огня и воздуха, – а может быть, даже и воды с землей). И если разогрев звезд, как писал философ, происходит из-за их трения об эфир во время вращательного движения вокруг Земли, то мощный дневной поток света и тепла никак не связан с перемещениями Солнца, – ведь светило не движется в своей сфере, будучи закрепленным на ней. Тепло и свет возникают из-за трения самих сфер друг о друга! Но это значит, что небесные сферы вполне материальны – твердые, плотные, задевающие друг друга. «При всей наивности картины, – пишет А. И. Еремеева, – Аристотель и здесь остается прежде всего физиком, механиком, даже инженером…»

Из всей славной когорты древнегреческих философов и ученых особое место занимает Аристарх (310–250 годы до н. э.). Его достижения впечатляют. Впрочем, трудно избавиться от ощущения, что его гениальные рассуждения либо неизвестны, либо непонятны подавляющему большинству населения земного шара и по сей день. Аристарх совершил первую из известных нам попыток в истории человечества определить размеры Солнца и Луны и расстояния до них! При этом он впервые использовал строгие геометрические построения, а не умозрительные рассуждения.

Ученый сделал следующее. Он дождался, когда Луна была в фазе первой четверти, когда на небе сияет ровно половинка лунного диска. Но это означало, как сообразил Аристарх, что в этот момент Солнце светит точно «сбоку» на лунный шар. Следовательно, угол между линиями «Луна – Земля» и «Луна – Солнце» должен быть прямым! Если начертить треугольник с вершинами в точках «Земля», «Луна» и «Солнце», то он окажется прямоугольным. А чтобы решить задачу с прямоугольным треугольником, достаточно знать еще один его элемент, – например, еще один угол. Этот угол (между направлениями на Луну и на Солнце) Аристарх измерил. Из его треугольника получалось, что если разделить расстояние от Земли до Луны (катет) на расстояние от Земли до Солнца (гипотенуза), то это отношение будет равно косинусу измеренного им угла. Другими словами, величина косинуса этого угла будет показывать, во сколько раз расстояние от Земли до Луны меньше расстояния от Земли до Солнца.

Рис. 3. Определение соотношения между расстояниями до Солнца и до Луны

Получить правильный ответ Аристарху помешала низкая точность измерения угла между направлениями на Солнце и Луну. Это непросто и сегодня, тем более что для измерений нужно выбрать момент, когда мы видим на небе ровно половину лунного диска, а это само по себе трудно. В результате у ученого получилось, что Солнце дальше Луны примерно в 19 раз (на самом деле – в 400, ошибка больше чем в 20 раз!). Тем не менее, впервые был получен неожиданный результат: Солнце расположено существенно (т. е. не в два раза) дальше Луны!

Отсюда следовал еще более глубокий вывод. Наблюдения солнечных затмений показывали, что угловые размеры Луны и Солнца на небе почти одинаковы, хорошо «подогнаны» друг к другу. В результате во время затмения Луна точно, как специальная крышка, загораживает диск Солнца. Но это означало, что если Солнце в 19 раз дальше Луны (на самом деле – в 400 раз), но имеет такие же угловые размеры, то Солнце должно быть в те же самые 19 раз больше Луны (на самом деле – в 400 раз)!

Этот вывод поражал воображение. Оставалось определить, каковы размеры Луны. Аристарх сделал и это!

Со времен Аристотеля было ясно, что лунное затмение происходит тогда, когда тень Земли падает на Луну. Если источник света (Солнце) находится очень далеко – дальше, чем экран (Луна), на который падает земная тень, – то диаметр Земли должен быть примерно равен диаметру ее тени, которую мы можем наблюдать на Луне во время лунного затмения. Аристарх довольно точно определил соотношение размеров: оказалось, тень Земли по диаметру примерно втрое больше Луны. Но тогда и сама Земля должна быть втрое больше Луны. А если это так, то, вспоминая, что Солнце оказалось, по Аристарху, больше Луны в 19 раз, следует сделать окончательный вывод: Солнце должно быть больше Земли по диаметру примерно в шесть с лишним раз (на самом деле – в 109 раз).

Вычисляя объем Солнца, Аристарх получил фантастический результат – в 250 раз больше объема Земли! Если бы он знал правильный ответ (в 1 300 000 раз), он был бы поражен еще больше. Но и то, что получилось, было удивительно. Напомним, только Анаксагор умозрительно рискнул сравнить Солнце по размерам с полуостровом Пелопонесс, и по тем временам это была неожиданная и смелая оценка. А тут на основе наблюдений и вычислений получалось нечто невообразимое – Солнце оказывалось существенно (во много раз!) больше всей громадной Земли!

Этот вывод заставил Аристарха изменить свои прежние представления. Это обстоятельство тоже говорит в пользу данного замечательного человека. Есть множество примеров, когда ученый упрямо настаивает на своей точке зрения только потому, что она своя, – несмотря на новые факты, ее опровергающие. Ранее Аристарх, вслед за Аристотелем, был геоцентристом, считая, что неподвижная шарообразная Земля стоит в центре Вселенной. Но вообразить, каким образом гигантское Солнце кружится вокруг маленькой Земли, было трудно. Колоссальное светило, несомненно, должно было находиться в центре мира!

Аристарх стал убежденным гелиоцентристом (Солнце в центре мира). Заодно, вслед за последователями Пифагора, он возродил их старую идею движения Земли вокруг своей оси и вокруг центра мира, где теперь вместо «центрального огня» наконец расположилось Солнце. Вращение Земли вокруг своей оси, кстати, естественно объясняло смену дня и ночи.

В общем, Аристарх вполне заслуживает, чтобы мы помнили о нем как об одном из самых выдающихся интеллектуалов за всю историю человечества. К сожалению, сведения об Аристархе весьма скудны. Известно только, что он родился на острове Самос, а жил и работал в знаменитом Мусейоне – по сути дела, первом в истории университете в городе Александрии. Ученый находился на попечении государства, читал лекции. Здесь он писал свои труды, которые хранились в не менее знаменитой Александрийской библиотеке.

Многие столетия спустя, в 640 году н. э., арабы захватили Александрию и уничтожили здесь все, что могли, включая библиотеку. Это была гигантская потеря для человечества. По некоторым данным, еще 2000 лет назад здесь хранились около 400 000 томов рукописных книг, свитков пергамента и папируса. Уже никто никогда не узнает, какие древние знания о былых земных событиях, людях и культурах хранились здесь… Не сохранились, к сожалению, и труды Аристарха – до наших дней дошла лишь одна его книга «О размерах Солнца и Луны и расстояниях до них». Мы располагаем также упоминаниями о его трудах в книгах других ученых. Нет сомнений, что достижения Аристарха произвели глубокое впечатление на его образованных современников. Солнце оказалось колоссальным – значительно больше, чем люди когда бы то ни было раньше могли себе это представить.

Но само устройство Солнца, его природа и причина происхождения яркого солнечного света и мощного потока тепла оставались непонятными. Все существовавшие версии – от нагретого камня до сгустка загадочного вездесущего эфира – выглядели уязвимыми для критики со стороны думающих людей. Надлунный мир и главный его объект – сияющее Солнце – продолжали хранить свои тайны.

Вершиной греческой астрономии явилась система мира Аристотеля – Птолемея, которая включила в себя частично и результаты Аристарха. Великий александрийский математик, астроном, оптик и географ Клавдий Птолемей (около 87–165) совершил выдающийся научный подвиг. Он создал энциклопедию своего времени, включив в нее все достижения греческой науки. А эти достижения были впечатляющими: буквально за несколько столетий греки создали столько, сколько человек разумный не создал за десятки тысяч лет своего прежнего существования на нашей планете!

Труд Птолемея назывался «Математическое сочинение», или «Большое сочинение» («Мегалэ Синтаксис», как это название звучало по-гречески). Позже вместо «большого» его стали называть «величайшим» – «Мегистэ». Арабы именовали труд Птолемея «Аль Маджисти», что привело к современному обозначению «Альмагест».

«Альмагест» – это грандиозный труд в 13 книгах. В нем, помимо многого другого, математически точно описаны движения планет с учетом их сложного петлеобразного движения по небу. Сегодня мы знаем, что странные петли, которые выписывают на небе планеты, объясняются тем, что сама Земля вовсе не неподвижна, и когда мы глядим на движущуюся планету с движущейся же Земли, создается впечатление сложного петлеобразного движения. Это похоже на наблюдения с вращающейся карусели, где наблюдатель сидит на вращающемся сидении! Учитывая, что планеты движутся не по окружностям, а по слегка вытянутым орбитам (эллипсам), да еще и не в одной плоскости, да еще и с переменной скоростью, нужно признать, что задача математического описания перемещения планет (а заодно и Солнца с Луной) по небу является сложной и на сегодня!

Рис. 4. Система Птолемея. Неподвижная Земля находится в центра мира, планеты движутся по эпициклам, центры эпициклов – по деферентам (орбитам вокруг Земли). У Луны и Солнца эпициклов нет

Птолемей блестяще справился с этой задачей. Он предложил систему, которая в результате длительных и сложных вычислений давала поразительную точность определения положения планеты на небе в данный момент времени – всего лишь до 10 угловых минут! Учитывая, что система при этом была принципиально неверна (Птолемей исходил из того, что Земля неподвижна и не вращается, а светила движутся вокруг нее, причем планеты – по очень сложным составным траекториям, участвуя в перемещении одновременно по многим окружностям), это была тем более сложная проблема. Но Птолемею удалось подобрать такой набор окружностей (эпициклов) с разными диаметрами. Планеты в системе Птолемея двигались по эпициклам: планета – по первому эпициклу, центр первого эпицикла – по второму эпициклу, центр второго – по третьему, и так далее, причем диаметры и скорости вращения для каждого из эпициклов были точно подобраны. Эта невероятно сложная аналоговая система, как было указано выше, прекрасно работала и позволяла с приемлемой точностью рассчитывать перемещения планет, Солнца и Луны на фоне звездного неба.

Замечательно, что после Аристарха было известно, что Солнце значительно больше Земли. Птолемей прекрасно понимал, что движение огромного светила вокруг нашей небольшой (по сравнению с Солнцем) планеты выглядит не очень логичным. Но в пользу системы Птолемея работал набор доказательств неподвижности Земли, который 2000 лет назад выглядел вполне убедительным.

В соответствии с утверждавшейся в те годы научной методологией, которая успешно работает и сегодня, каждое научное утверждение должно быть доказано. По тем временам, убедительных доказательств вращения (и движения) Земли не было. Зато доводы в пользу неподвижности нашей планеты казались вполне логичными. Например, Птолемей считал, что в случае вращения Земли вокруг своей оси мы должны наблюдать облака, уносящиеся в направлении, противоположном вращению планеты. Это правильное рассуждение: если бы все окружающее Землю пространство было заполнено бесконечным воздухом, и облака принадлежали бы этому пространству. Кто мог подумать во времена Птолемея, что Земля вращается вместе с атмосферой, в которой плавают облака, а светила разделяет безвоздушное пространство… Были и другие соображения, работавшие в пользу идеи о неподвижности Земли. Знаний не хватало, и логика позволяла строить концепции на уровне тех знаний, которые были…

В описаниях системы Птолемея ничего не говорится о сущности Солнца. Здесь основное внимание уделялось кинематике – законам движения, которые сводились к многочисленным вращениям вокруг множества осей. Продолжала работать идея Аристотеля, предлагавшая считать Солнце сгустком таинственного эфира.

«Альмагест» оказался результатом грандиозной работы всей древнегреческой культуры. Начиная с III века этот труд изучался и комментировался. Из Греции он попал на арабский Восток и в Индию.

В начале нашей эры отношение молодой, энергичной и потому агрессивной и нетолерантной христианской религии к концепции Птолемея было скорее негативным. Помимо прочего, дело было в том, что новая религия поддерживалась не очень образованными людьми. Сложные геометрические построения в «Альмагесте» были для них абсолютно чуждыми. Даже представление о шарообразности Земли вызывало резкое неприятие: этого не могло быть! Ведь люди не могли жить на «нижней» полусфере планеты – они должны были отрываться и падать «вниз». Так рассуждал, например, христианский богослов Лактанций (250–330). А Тертуллиан (150–222) утверждал прямо: «Нам после Христа не нужна никакая любознательность, не нужно никакого исследования». Подразумевалось, что все, что следует знать человеку, содержится в Священном Писании. Если же чего-то там нет, то это неслучайно: видимо, Создатель счел нецелесообразным сообщать людям нечто. И значит, попытки узнать это нечто (сверх Писания) расценивались как ненужные и греховные, и их надлежало рассматривать как ересь.

Византийский купец и путешественник Косма (Козьма) в 547 году явил миру книгу под недвусмысленным названием «Христианская топография Вселенной, основанная на свидетельствах Священного Писания, в коем христианам нельзя сомневаться». Согласно этому труду, мир походил на внутренность гигантского сундука с плоским прямоугольным дном (Землей), боковыми стенками и крышкой (небосводом). Заход Солнца за огромную гору на севере приводил в этой системе мира к наступлению ночи, проливание воды сквозь отверстия в крышке – к осадкам. Что такое Солнце, разумеется, здесь не сообщалось. Эта картина мира, близкая к самым примитивным взглядам первобытных культур, возобладала в Европе (во всяком случае, в Восточной). Когда-то и на Руси учили космографии по творению этого авторитетного автора – Козьмы Индикоплевста (или Индикоплова, т. е. плававшего в Индию). Спорить с ним было невозможно – он ездил в Индию, всюду был и все видел, а значит, знал, о чем писал…

Рис. 5. Система мира Козьмы Индикоплевста. Земля плоская и прямоугольная, небесный свод твердый, ночь наступает, когда Солнце прячется за гору

Такая система мира в гораздо большей степени соответствовала библейскому описанию, чем «Альмагест». Поэтому первые столетия христианской эпохи в Европе прошли без использования интеллектуальных достижений древних греков. Труд Птолемея сохранился на Востоке, откуда он снова пришел в Европу в IX веке на арабском языке. Но потребителей «Альмагеста», тех, кто мог бы по достоинству оценить этот великий труд, здесь не было: культурная традиция средневековой Европы практически исключала научные исследования, тем более в области постижения устройства мира. На рубеже VIII–IX веков некий Алкуин, наставник и друг короля франков Карла Великого, в своем учебнике для дворцовой школы характеризует дневное светило следующим образом: «Солнце – это блеск Вселенной, краса небес, прелесть природы, делитель часов». Это, собственно, почти все, что можно было сказать о природе Солнца 1000 лет назад.

Система мира Птолемея, тем не менее, не умерла. Со временем ее идеология была взята на вооружение христианскими богословами. Центральное место Земли в «Альмагесте» вполне соответствовало первым стихам Библии, из которых следовало, что мир целенаправленно создавался для человека: Земля – чтобы жить на ней, Солнце и Луна – чтобы освещать мир для человека днем и ночью, животные и растения – чтобы обеспечить человеку питание. Отбросив сложные математические построения Птолемея, Римская католическая церковь приняла и адаптировала идею о центральном месте и неподвижности Земли во Вселенной и особом (но неизвестном) божественном устройстве всего того, что видно на небе, включая Солнце. В этом виде система Птолемея существовала вплоть до XVI века. Природа Солнца оставалась неизвестной, как и полтора тысячелетия тому назад.

Лекция вторая

Солнце в центре мира

Вся история науки на каждом шагу показывает, что отдельные личности были более правы в своих утверждениях, чем целые корпорации ученых, <….> придерживающихся господствующих взглядов.

В. И. Вернадский

Во все века людям хватало наличных сведений для объяснения всего на свете.

Л. Леонов

В научной и философской литературе есть устойчивое словосочетание – «коперниканская революция». О чем идет речь?

В 1543 году в Польше была издана знаменитая книга «Об обращениях небесных сфер». Ее автором был польский мыслитель, астроном и математик Николай Коперник (1473–1543).

Структура сочинения Коперника повторяет «Альмагест» Птолемея, хотя по объему труд польского ученого значительно меньше (шесть книг против тринадцати). Коперник пытается донести до современников идеи своего великого предшественника, так сказать, в современном изложении.

Рис. 6. Страница из рукописи Н. Коперника. В центре мира находится Солнце, все планеты движутся вокруг него, вокруг Земли обращается Луна

В пятой книге нового сочинения «мнение древних» подвергается критике, и движение планет рассматривается на новой, гелиоцентрической основе (Солнце в центре мира). Помимо существенного упрощения чрезмерно усложненной системы Птолемея, некоторые ее загадки естественным образом разрешались введением новой сущности – движения Земли вокруг Солнца.

«Коперниканской революции» посвящено множество книг, написанных за последние века. Речь идет, конечно же, о революции, которая совершилась в мировоззрении людей. Центр мира, гигантская Земля, сотворенная, согласно Священному Писанию, Создателем для человека, и сама представлявшая собой громадный разнообразный мир, для которого небо с его светилами воспринимались лишь как окружающие Землю декорации, превращалась в заурядную планету, одну из многих, не самую большую и не самую маленькую, не самую близкую и не самую далекую от центра мира. Новым же центром мира становилось Солнце – по-прежнему необъяснимое и удивительное.

Надо сказать, что понятие «коперниканская революция» не следует воспринимать как сиюминутное событие. Процесс перехода к новому восприятию шел мучительно долго и трудно. Даже спустя почти полтора столетия после выхода в свет книги Коперника безусловный последователь Коперника великий Исаак Ньютон очень осторожно излагал его концепцию в первом издании своих знаменитых «Математических начал» (1687) – не под первым номером в списке других, альтернативных картин мира, особенно ее не выделяя. Это означало, что далеко не вся просвещенная Европа «на ура» восприняла идеи Коперника.

Отчасти, разумеется, дело было в том, что далеко не все знали о его теории (особенно те, кто не умел читать), а многих вообще не интересовало, что вокруг чего вращается. Заметим, что таких людей немало и сегодня. Поэтому нельзя сказать, что острие общественных интересов было нацелено на проблему устройства мира, поэтому изменения в сознании «простых людей» происходили крайне медленно.

Столетия спустя в одном из своих рассказов о Шерлоке Холмсе сэр Артур Конан Дойл вложил в уста своему герою прагматическое рассуждение – великий сыщик знать не хотел, что находится в центре мира, поскольку это не оказывало никакого влияния на его повседневную деятельность. Впрочем, похоже, что Холмс просто, как обычно, слегка подшучивал над ужаснувшимся от его рассуждений доктором Ватсоном. Но социологические опросы, проводившиеся в начале «космического» XXI века, показали, что и сегодня в Европе живут люди, которые считают, что Солнце летает вокруг Земли, – люди, далекие от естественных (и, видимо, любых) наук. Автору этой книги лично известны несколько человек, считающие себя образованными, чьи представления о Вселенной соответствуют взглядам в лучшем случае пятисотлетней давности… Впрочем, разумеется, Ньютон писал свои труды не для такой категории людей.

Был еще один важный фактор, препятствовавший распространению новых идей. Католическая церковь, первоначально вполне лояльно воспринявшая труд Коперника (если математикам удобнее вычислять положения планет на основе гелиоцентрической гипотезы – это их дело), впоследствии очень резко выступила против коперниканства. В 1616 году появился вердикт католической церкви, в котором говорилось, в частности, следующее:

«Учение, что Солнце находится в центре мира и неподвижно, ложно и нелепо, формально еретично и противно Священному Писанию, а учение, будто Земля не лежит в центре мира и движется, вдобавок обладая суточным движением, ложно и нелепо с философской точки зрения, с богословской же – по меньшей мере ошибочно».

Согласно этому вердикту, учение Коперника запрещалось упоминать, на него нельзя было ссылаться, – в общем, следовало вести себя так, как будто никакого Коперника и его идей в мире никогда не было. В результате даже в протестантской Англии, где последовавшее католическое осуждение теории Коперника не действовало, Ньютон писал о новой концепции крайне аккуратно, перечисляя (представляя читателю) различные гипотезы о строении мира и стараясь не проявлять свое к ним отношение. Согласно указанному вердикту, и автор настоящей книги, и ее читатели совершили преступление: нельзя было ни писать, ни читать эту книгу.

Это печальный этап в жизни человечества, и особо печален он для истории религии. Это очередной (к сожалению, не первый и не последний) пример того, как неразумно – а называя вещи своими именами, просто глупо – привязывать факты из области естествознания к какой бы то ни было идеологии. В истории с коперниканством церковь проявила себя как крайне консервативная, догматическая сила, не желающая слушать доводы и аргументы. В представлении католического Рима, первые стихи Библии свидетельствовали об особом месте Земли в нашей Вселенной, определенном Богом, и ее низвержение с центрального положения до статуса рядовой планеты выглядело святотатством и еретичеством.

Мыслящие люди, – и верующие, и атеисты – сегодня прекрасно понимают, что конкретный вид строения мира не может ни подтвердить, ни опровергнуть никаких религиозных воззрений. Если Бог существует и он действительно создал наш мир, он мог поставить Солнце и в центре, и не в центре Солнечной системы, и положение нашего светила тогда ровным счетом ничего не доказывает. Это, по-видимому, наконец осознали современные иерархи католической церкви, и Папа Римский Иоанн Павел II незадолго до конца ХХ века официально признал вердикт 1616 года ошибочным.

Не могу удержаться, чтобы не заметить, что и в наше время недальновидная часть религиозных деятелей воюет с современным дарвинизмом, возражая против результатов генетических исследований так же, как 400 лет назад их идейные собратья пытались запретить гелиоцентризм. Идет процесс наступания на те же грабли. Кончится это, безусловно, очередным конфузом, в который раз компрометирующим фундаменталистское крыло приверженцев религии. Разумные (просвещенные и образованные) религиозные деятели давно прекратили воевать с наукой, прекрасно понимая, что концепция эволюции (как и любая естественная наука) на самом деле не затрагивает никаких фундаментальных религиозных представлений – кроме разве что буквальной веры в то, что Бог действительно вылепил человека из праха собственными руками.

Возвращаясь к событиям давно прошедшим, нужно сказать еще о следующем. Ряд современных исследователей обращают внимание на важный аспект коперниканской революции. Дело в том, что к моменту выхода в свет книги Коперника доводов в пользу новой идеи у ее автора было не больше, чем у последователей Птолемея! Новых астрономических наблюдений почти не было, а те, что были, не отличались в смысле точности в лучшую сторону по сравнению с теми, на которых основывал свою концепцию Птолемей полтора тысячелетия назад. Новых фактов, говоривших о том, что Земля все-таки вращается вокруг своей оси и летит вокруг Солнца, за эти века не появилось. По-прежнему наши чувства говорили об обратном: массивная Земля казалась неподвижной, а Солнце на глазах у всех двигалось по небу. Более того, расчеты положений планет, которые можно было выполнять по новым правилам, давали даже худшие результаты по сравнению с системой Птолемея, а практика, как справедливо заметил Карл Маркс, – критерий истины!

Причина первоначально невысокой точности методики расчетов по Копернику заключалась в том, что польский ученый по-прежнему считал, что во Вселенной возможны только движения по окружностям. До открытия законов Кеплера (движения планет по эллипсам) оставалось несколько десятилетий. Поэтому принципиально неверная, но тщательно сконструированная и хорошо подогнанная теория Птолемея оказывалась более точной!

Разумеется, мощным доводом в пользу системы Коперника была ее относительная простота по сравнению с системой Птолемея. Но нужно заметить, что это упрощенный взгляд! Историк астрономии А. И. Еремеева точно подметила – правильнее говорить не о большей простоте, а о меньшей сложности. Конечно же, в системе Птолемея использовались 80 эпициклов (окружностей), по которым двигались планеты. Эта сложнейшая система имела целью учесть неравномерности в видимом движении планет и Солнца, связанные на самом деле с тем, что сама Земля двигается, при этом существенно неравномерно. Но для того чтобы учесть неравномерность движения Земли, о которой Коперник не догадывался и которая приводила к ряду заметных эффектов в видимых движениях светил, автору новой концепции все-таки пришлось сохранить 34 эпицикла.

Это, конечно, лучше, чем 80, но назвать подобную систему простой очень трудно. Были и другие вынужденные элементы системы, которые ее, мягко говоря, не упрощали. В итоге получается, что гелиоцентрическая система Коперника первоначально вовсе не обладала явными преимуществами по сравнению с древней геоцентрической системой Птолемея. Сам Коперник не настаивал на том, что физический мир действительно устроен в соответствии с его идеей. Он указывал на то, что гелиоцентрический подход упрощает вычисления, и не более того…

С этой точки зрения, как утверждала философ Л. М. Косарева, сама коперниканская революция в мировоззрении людей выглядит чудом! Естественно-научных предпосылок (в области астрономии, математики) для нее, как сегодня кажется, не было. Идея Коперника выглядела сумасбродной, точности вычислениям не добавляла, вдобавок ко всему против нее была направлена вся мощь католического Рима. Тем не менее, коперниканская революция – очевидный свершившийся факт. Как такое могло произойти?

В своем обзоре «Коперниканская революция: социокультурные истоки» и ряде других работ Л. М. Косарева обосновывает следующую идею, которая близка автору этой книги. Теория Коперника появилась в те времена, когда общественные настроения в католической Европе пребывали в состоянии кризиса. Происходила ломка патриархального экономического уклада, все глубже проявлялась в новых условиях разрушения феодальных устоев и зарождения новых капиталистических отношений несостоятельность господствовавшей тогда «этики послушания». Нестабильность переходного периода требовала новых этических ориентиров.

Ощущение разрушения привычного образа жизни, чувство господства несправедливости (которое, конечно же, усиливалось благодаря тотальному контролю за духовной жизнью человека со стороны католической церкви) приводили к новому восприятию мира уже не только и даже не столько образованных и читающих людей, сколько широкие массы. Прекрасный, совершенный, гармоничный и разумный космос Аристотеля и Птолемея, содержащий традиционные понятия о справедливости, добре и зле, выглядел все более неубедительным. Создавалось ощущение, что эта мрачная, несправедливая, полная смятения, порока, мерзости и безумия Тридцатилетней войны «тусклая Земля, обитель неразумия и колыбель ветхой жизни» не может являться вершиной творения Создателя, средоточием его благости и центром мира!

Ощущения, характерные для той эпохи, выразил ее замечательный поэт Джон Донн, отрывок из стихотворения которого в переводе В. Томашевского приводит в своем обзоре Л. М. Косарева:

Все в новой философии – сомненье:

Огонь былое потерял значенье.

Нет Солнца, нет Земли – нельзя понять,

Где нам теперь их следует искать.

Все говорят, что смерть грозит природе,

Раз и в планетах и на небосводе

Так много нового;

Мир обречен,

На атомы он снова раздроблен.

Все рушится, и связь времен пропала,

Все относительным отныне стало.

(Этот потрясающий отрывок подозрительно подходит к описанию естественно-научной мысли на рубеже XIX–XX веков, да и для нынешней ситуации он звучит удивительно современно. Может быть, дело в осовременившем мысли поэта переводе?..)

Но вот еще один отрывок из произведения Джона Донна:

Мы созерцаем бедствий страшный час:

Второй потоп обрушился на нас,

И все добро исчезло из Вселенной…

О том же рассуждает Уильям Шекспир устами принца Гамлета (в переводе М. Лозинского):

«На душе у меня так тяжело, что эта прекрасная … земля кажется мне пустынным мысом; этот несравненнейший полог, воздух, видите ли, эта великолепно раскинутая твердь, эта величественная кровля, выложенная золотым огнем, – все это кажется мне не чем иным, как мутным и чумным скоплением паров…»

Согласно этим настроениям, Земля выглядела уже не как центр мира и вершина творения, но как нечто периферийное, пребывающее на задворках Вселенной, темное и далекое от идеала. Идеал следовало искать где-то вне Земли. На роль такого идеального объекта, истинного центра мира, источника добра, жизни, света и тепла лучше всего подходило Солнце.

Так же, как и тысячи лет назад, люди сознавали, что именно живительные свет и тепло, излучаемые Солнцем, являются основой жизни. Удивительная правильность формы (идеальная сферичность Солнца), явная «особость» его природы в отличие от «праха» Земли усиливали это представление. Поэтому воспринять Солнце как истинный центр мира оказывалось не таким уж сложным делом. И сложные математические изыскания Коперника здесь были не важны для множества людей, порой не знавших счета сложнее простейшего арифметического. Сам Коперник, впрочем, тоже приводил в пользу своей теории общие, достаточно абстрактные умозрительные рассуждения, которые казались ему логичными и естественными:

«В середине всего находится Солнце. Действительно, в таком великолепнейшем Храме кто мог бы поместить этот светильник в другом и лучшем месте, как не в том, откуда он может все освещать? Ведь ненапрасно некоторые называют Солнце светильником мира, другие – умом его, а третьи – правителем. Гермес Трисмегист называет его видимым богом, а Софоклова Электра – всевидящим. Конечно, именно так Солнце, как бы восседая на царском троне, правит обходящей вокруг него семьей светил…»

Наверное, в разной степени на осуществление коперниканской революции работали все факторы: и превалирующие умонастроения эпохи, и рассуждения, и математические выкладки Коперника, и первые телескопические наблюдения Галилео Галилея и других астрономов в начале XVII века (об этом позже). Но итог был один: Европа, а за ней и весь мир приняли великую смену основополагающих парадигм: геоцентризм постепенно уходил в прошлое, уступая место гелиоцентризму. Солнце воцарилось в центре мира, который, впрочем, усилиями великого итальянского мыслителя Джордано Бруно и шедших за ним астрономов, вооружившихся телескопами, превратился со временем в мельчайший элемент бесконечной Вселенной, где каждая звезда была таким же Солнцем, возможно, окруженная сонмом планет, подобных Земле. Коперник заменил земную Вселенную солнечной Вселенной, которая оказалась впоследствии на поверку Солнечной системой, маленьким клочком большого мира, уже не ограниченного твердой скорлупой сферы неподвижных звезд.

Впрочем, до этого оставалось еще далеко. Что касается Солнца, то и перемена его местоположения ничего не изменила в наших знаниях о нем. Природа Солнца по-прежнему оставалась загадочной. Человек знал о нем только то, что это огненный источник света и тепла, размещенный очень далеко от Земли. Новые знания о Солнце принесла телескопическая эпоха, начавшаяся в эпоху «коперниканской революции».

В 1608 году произошло событие, которое коренным образом изменило развитие астрономии, в том числе и астрономии солнечной. Шлифовальщик очковых стекол из голландского города Миддельбурга по имени Липперсгей соорудил зрительную трубу с двумя линзами. Антони Паннекук в своем основательном труде «История астрономии» указывает, что голландский оптик, по-видимому, не был первым. Некто Захариас Янссен из того же города, по некоторым данным, изготовил подобную трубу еще в 1604 году, в свою очередь скопировав ее с экземпляра, принадлежавшего неизвестному итальянцу. Очевидно, идея носилась в воздухе, и кое-кому уже удавалось строить подзорные трубы, а возможно, кто-то уже смотрел в них на небо. По-видимому, именно поэтому Липперсгею не удалось получить желаемого патента на изобретение. Свою конструкцию он предложил принцу Морису Оранскому и Генеральным штатам Голландии. В результате информация о новом оптическом приборе оказалась задокументированной.

Дальше произошла важная для дальнейшей истории астрономии утечка информации! Слухи об удивительном приспособлении, позволяющем рассматривать удаленные предметы, широко распространились. Об этом написал в своем письме венецианский посланник в Париже. Письмо было адресовано молодому профессору Падуанского университета Галилео Галилею (1564–1642). Галилей быстро ухватил суть дела и летом 1609 года построил у себя в мастерской описанную конструкцию. Коллега Галилея физик Демесиани предложил для нее название – «телескоп». В том же году Галилей уже демонстрировал свой первый телескоп в Венеции. Это было выдающееся достижение. Неслучайно в ознаменование 400-летия тех событий ООН объявила 2009 год годом астрономии.

Новый прибор быстро совершенствовался. В августе 1609 года Галилею удалось довести увеличение до 32 раз при 53-миллиметровом объективе. Зимой 1609–1610 годов Галилей выполнил цикл астрономических наблюдений, которые позволили ему сделать серию выдающихся открытий, включая наблюдения пятен на Солнце. О своих наблюдениях Галилей писал в своих письмах знакомым и коллегам. В марте 1610 года появилось его сочинение Sidereus Nuncius («Звездный вестник»), вызвавшее сильную (в том числе эмоциональную) реакцию среди просвещенной части европейского общества. Не будет преувеличением сказать, что под влиянием этой исторической брошюры целый ряд ученых начали самостоятельные телескопические наблюдения.

Мы не будем описывать все открытия Галилея, чтобы не отвлекаться от солнечной темы (ученый «снял сливки», немедленно открыв все то, что неизбежно можно было открыть, впервые внимательно посмотрев в небо через телескоп). Остановимся на главном для нас – телескопическом открытии солнечных пятен, о котором, впрочем, в «Звездном вестнике» не говорилось ни слова.

На самом деле, как это ни парадоксально, Галилей не был первым, кто открыл солнечные пятна. И дело даже не в том, что, строго говоря, пятна на Солнце люди видели давно. Точнее говоря, не могли не видеть, – достаточно было просто посмотреть на Солнце! Иногда на Солнце появляются темные пятна гигантских размеров, которые нетрудно увидеть невооруженным глазом, безо всякого телескопа, – конечно же, при наблюдениях сквозь дым или туман или низко над горизонтом.

Первое упоминание о пятнах на Солнце приписывается ученику Аристотеля Теофрасту (390–290 годы до н. э.). Согласно имеющимся данным, регистрировали пятна на Солнце и китайские астрономы еще в 301 году до н. э. (Аристарху, например, тогда было 10 лет). С 28 года до н. э. по 1638 год н. э. крупные пятна на Солнце были описаны в официальных китайских хрониках не менее 112 раз, не считая ссылок на другие источники. Ранние записи о солнечных пятнах есть в летописях Японии и Кореи. Описания подобных наблюдений хранятся в летописях разных стран, например, в Никоновской летописи, где упоминаются черные пятна, «аки гвозди» забитые в солнечный диск. Пятна на Солнце были замечены сквозь дым лесных пожаров и упомянуты в русских хрониках 1365 и 1371 годов.

Рис. 7. Пятна на Солнце, иллюстрация к книге Галилея «Письма о солнечных пятнах» (1613)

«Взирая на Солнце, прищурь глаза свои, и ты смело разглядишь на нем пятна», – написано у Козьмы Пруткова. На самом деле это не совсем так: крупные пятна, которые видны невооруженным глазом, все-таки возникают нечасто, но за минувшие тысячелетия люди видели их не раз.

Есть сведения (впрочем, непрямые), что пятна на Солнце можно было заметить на изображении Солнца, спроектированном на экран через небольшое отверстие (эффект камеры-обскуры). Известный московский астроном и популяризатор астрономии, автор многих книг Владимир Георгиевич Сурдин нашел подтверждение этому предположению, наблюдая изображение Солнца на полу европейских соборов: свет проникал в помещение через отверстия в высоких сводах.

Наблюдения с помощью камеры-обскуры были выполнены 18 мая 1607 года великим немецким астрономом Иоганном Кеплером (1571–1630), но он принял увиденное пятно за планету Меркурий на фоне солнечного диска!

Рис. 8. Камера-обскура

В начале телескопической эпохи темные пятна на Солнце обнаружил не только Галилей, поскольку телескопы стали появляться и у других исследователей. Иоганн Гольдшмидт (Фабрициус, 1587–1615) в Голландии, Симон Мариус (1573–1624), астроном и врач при брате Маркграфа Бранденбургского, Христофор Шейнер (1575–1650) в Германии и Томас Гарриот (1560–1621) в Англии независимо выполнили первые наблюдения пятен на Солнце с помощью телескопов. Первоначально, судя по всему, возможность проектирования изображения на экран не была реализована, и первые наблюдатели солнечных пятен, рискуя испортить (и даже потерять) зрение, рассматривали Солнце в окуляры своих телескопов. Для этого им приходилось дожидаться утреннего или вечернего тумана, работавшего как эффективный светофильтр (но при этом атмосферная рефракция вблизи горизонта, конечно же, сильно искажала изображение).

Примечательно, что новое явление описывалось, расценивалось и интерпретировалось разными исследователями по-разному.

Гарриот увидел пятна на Солнце в декабре 1610 года, но этот факт стал известен научной общественности лишь спустя годы.

Фабрициус стал детально зарисовывать увиденное. В июне 1611 года он опубликовал в книге De Maculis in Sole Observatis, т. е. «Пятна, наблюдаемые на Солнце», результаты своих наблюдений, проведенных еще в марте, и сообщил, что Солнце, по-видимому, вращается вокруг своей оси. Следя за перемещениями трех пятен по поверхности Солнца ото дня ко дню, он сделал этот совершенно правильный вывод и оценил период вращения Солнца примерно в месяц. Впоследствии отец и сын Фабрициусы применили метод проектирования изображения Солнца на экран, что существенно упростило (и обезопасило!) их наблюдения. Впрочем, похоже, что сами исследователи не придали своему поистине важнейшему открытию должного значения.

Заметим, что к этому времени, еще весной 1611 года, Галилей уже демонстрировал солнечные пятна жителям Рима с помощью своего телескопа. Позднее стало известно, что Галилей наблюдал пятна еще раньше, в июле-августе 1610 года, но свои результаты он к тому времени еще не опубликовал. Заметим, что европейская научная традиция уже в те времена была непреклонна. Она гласила: научный факт становился таковым только после соответствующей публикации.

Весной 1611 года начал свои наблюдения патер Христофор Шейнер, иезуит из Ингольдштадта, которому помогал его ученик Цизат. Шейнера, безусловно, нельзя назвать рядовым священнослужителем. Он изучал древнееврейский язык и математику, а впоследствии стал профессором математики в Риме. Шейнер, подобно Фабрициусу и последовавшему его примеру Галилею, применил проецирование телескопических изображений Солнца на белый экран, что позволило ему наблюдать светило в любой ясный день, не подвергая риску собственное зрение. Ранее он использовал для наблюдений Солнца цветные стекла в качестве фильтров для его телескопа.

Первое пятно на Солнце, увиденное Шейнером, было принято им за дефект телескопа. Но довольно быстро он убедился в реальности феномена пятен. Однако исследователь столкнулся с вполне ожидаемой по тем временам сложностью. Его церковное начальство отказалось поверить в существование солнечных пятен, поскольку небесное светило не могло быть «рябым»! Заявление о запятненности Солнца было воспринято как ересь. Религиозные догматы в который раз встали на пути научного поиска…

Шейнер искал выход из положения. Ему запретили публиковать результаты под своим именем – страшный удар по самолюбию исследователя… Тогда он написал три анонимных письма некоему Марку Вельзеру, богатому аугсбургскому коммерсанту, который был другом Галилея. В эти письмах Шейнер рассказывал о своем открытии. Вельзер переправил письма Галилею, который ответил ему тремя собственными (не анонимными) письмами, где описывал собственные наблюдения солнечных пятен начиная с лета 1610 года. В первом из этих писем Галилей, помимо прочего, сообщил, почему он сам до сих пор не известил мир об этих наблюдениях. Вот что писал ученый:

«Как Ваше Превосходительство хорошо знает, некоторые недавние открытия, которые отличались от распространенных взглядов, шумно отрицались и опровергались, что принуждает меня молчать о любой своей новой идее до тех пор, пока я не исследую ее окончательно».

Галилей, по-видимому, намекал на собственное открытие неровностей (гор, долин и кратеров) на Луне. Реакция была аналогичной: католическая церковь была возмущена еретическим утверждением, что ночное небесное светило неидеально.

Возвратимся к Шейнеру. Можно сказать, что ему трудно было позавидовать. Непосредственное начальство запретило ему публиковать результаты поразительного открытия! Причин было несколько. Во-первых, схоластическая традиция в принципе не допускала новых открытий, позволяя только цитировать и комментировать Священное Писание и классиков. Главный авторитет в области науки – Аристотель – нигде в своих трудах ни о каких пятнах на Солнце не упоминал! Значит, никаких пятен на Солнце и быть не могло.

Во-вторых, как уже упоминалось выше, выглядело кощунственным посягательство на идеальную чистоту Солнца, которое, согласно Священному Писанию, являлось светилом для дневного времени, творением Создателя, а согласно Аристотелю – особым объектом надлунного мира, состоящим из особого небесного элемента – эфира.

Десятилетие спустя, как указывала Агнесса Кларк в своей книге «Общедоступная история астрономии в XIX столетии», в 1620 году некий каноник Жан Тард рассуждал таким образом: «Солнце – глаз мира, а глаз мира не может страдать бельмом, следовательно, то, что мы видим, – ни в коем случае не сор или грязь на поверхности Солнца, а, конечно, множество небольших планет, пролетающих мимо Солнца».

Эта идея, нацеленная на то, чтобы спасти Солнце от подозрения в неидеальности, была (сознательно или вынужденно) применена Шейнером.

В 1612 году Христофор Шейнер опубликовал сообщение о собственных наблюдениях. Темные пятна на фоне солнечного диска интерпретировались им как многочисленные малые планеты, оказавшиеся между Солнцем и Землей.

Во всех книгах и учебниках указана эта стратегическая ошибка Шейнера, который отстаивал правильность признанной церковью системы Аристотеля – Птолемея. Напомним, что согласно этой системе все планеты, равно как и Солнце, двигаются вокруг неподвижной Земли. В рамках этой теории все планеты должны двигаться вокруг Земли с запада на восток. Именно такое перемещение пятен по диску Солнца и обнаружил Шейнер, что он считал сильным аргументом в пользу своей интерпретации. Увы, он не учел, что его телескоп переворачивает изображение, и истинное направление движения пятен оказалось противоположным ожидаемому направлению движения планет!

Но как раз это заметил Галилей! Известный российский гелиофизик Эдвард Владимирович Кононович в своей книге «Солнце – дневная звезда» указывал, что выполненный в полном соответствии с правилами научного метода цикл наблюдений Солнца позволил Галилею собрать неопровержимые доказательства того, что пятна либо «принадлежат поверхности Солнца, либо весьма близки к ней».

Галилей скрупулезно зарисовывал пятна. Он обнаружил, что пятна, как правило, появляются не по одному. Было введено понятие группы пятен. Группы пятен оказались чрезвычайно разнообразны по своей сложности, насчитывая порой до нескольких десятков пятен разных размеров, объединенных в одну систему. По пятнам Галилею удалось определить (как указано выше, это было сделано вслед за Фабрициусом) синодический (относительно земного наблюдателя) период вращения Солнца вокруг своей оси – около 28 суток. В результате получалось, что любую точку поверхности Солнца можно непрерывно наблюдать чуть меньше двух недель – потом эта точка оказывалась на обратной стороне светила, пока снова, еще две недели спустя, не покажется на восточном краю (лимбе) солнечного диска.

При этом Галилею удалось показать, что группа пятен за несколько дней непрерывных наблюдений может сильно изменяться! Менялись конфигурация всей группы и форма отдельных пятен, менялось и количество пятен в группе. Становилось понятно, что эти транформации никак не могут объясняться гипотезой о малых планетах. Невозможно было вообразить, чтобы планеты на глазах наблюдателей меняли размеры, появлялись, исчезали и вдобавок приобретали сложную, подчас совершенно не круглую форму. Даже далекие от совершенства первые телескопы в начале XVII века обеспечивали возможность наблюдения этих свойств солнечных пятен. Это хорошо видно по зарисовкам Галилея. Но то же видно и на зарисовках Шейнера!

И это наводит на важную мысль. Автор настоящей книги сам почти 20 лет наблюдал Солнце в телескоп (правда, уже не зарисовывая, но фотографируя солнечный диск с пятнами сначала на фотопластинки, а затем на цифровую матрицу). Свидетельствую: принять группы солнечных пятен за множество малых планет невозможно. С некоторой оговоркой это еще можно сделать по нескольким единичным наблюдениям, если попадется симметричное круглое пятно и если наблюдения проводятся с плохим телескопом либо при плохих погодных условиях. Сложная же группа пятен с множеством динамично развивающихся отдельных ядер категорически не похожа на группу пролетающих на фоне светила малых планет. Думаю, что и Христофор Шейнер это понял довольно скоро. А это значит, что утверждение Шейнера было вынужденным. Он не ошибался. Его, скорее всего, заставили так утверждать непреодолимые обстоятельства.

Каково было Шейнеру? Он своими глазами видел некую новую сущность, ранее до него не описанную никем в мире, – загадочные солнечные пятна, которые у него на глазах появлялись, менялись и исчезали. До открытия физической сущности пятен оставалось почти 300 лет, и соприкосновение с новой природной загадкой, безусловно, волновало. Об этом хотелось объявить, поделиться, а гордость и амбиции открывателя – не последнее дело в психологии исследователя.

Но проблема была в том, что весь авторитет католической церкви, господствующей идеологии христианства препятствовал таким утверждениям. Этого не могло быть согласно существовавшим канонам! А если все-таки было, то оставалась единственная допустимая версия (малые планеты вблизи Солнца), в которой Шейнер, скорее всего, вскоре разочаровался.

Иезуит Шейнер не хотел быть еретиком, да и не был им. Он был последовательным католиком и не мог написать иного! Времена были суровые. Прошло чуть больше 10 лет со времени костра, на котором сожгли великого мыслителя и еретика Джордано Бруно. Оставалось совсем немного до уже упоминавшегося выше знаменитого запрета 1616 года, который католическая церковь наложила на пропаганду идеи Коперника о том, что Солнце находится в центре мира. Возможно, Шейнер в глубине души завидовал светскому ученому Галилею, который работал без особой оглядки на авторитеты и запреты: последние лишь заставляли его работать тщательнее и писать убедительнее. Впрочем, как известно, логичность и убедительность доводов Галилея не спасли его от суда инквизиции.

Цикл исследований солнечных пятен Галилей завершил в 1613 году. Результаты своей работы он опубликовал в книге Istoria e Demonstrzioni intorno alle Macchie Solari («Описания и доказательства, относящиеся к солнечным пятнам»). Здесь были приведены оригинальные зарисовки пятен и опубликованы упоминавшиеся выше исторические письма Марку Вельзеру. По сути дела, работа Галилея была ответом на тексты Шейнера. Галилей был чрезвычайно убедителен: аргументация Шейнера была разгромлена. Факты наблюдений и неопровержимая логика Галилея не оставляли сомнений: пятна – суть детали самого Солнца. При этом Солнце вращается в направлении, противоположном предсказаниям системы Птолемея, с периодом около 28 суток вокруг оси, которая наклонена к плоскости земной орбиты под углом, чуть меньшим 90 градусов (позднее угол был уточнен – около 83 градусов). Шейнер был не только иезуитом, но и ученым, понимавшим язык логики. Он был вынужден признать правоту Галилея.

Увы, дальше произошло то, что иногда бывает в научном (впрочем, и не только научном) мире. В 1623 году Галилей пренебрежительно отозвался о своих оппонентах, пытавшихся опротестовать его приоритет в целом ряде астрономических открытий. В тексте Галилея Шейнер прямо не назывался, но последний воспринял высказывания ученого как прямое оскорбление. Спор Галилея с Шейнером перерос в ссору и многолетнюю личную вражду. Каждый из ученых претендовал на первенство, приоритет на открытие. Как писали в своей классической монографии «Солнечные пятна» известные австралийские гелиофизики Р. Брей и Р. Лоухед, «этот спор привел к тому, что Шейнер стал злейшим врагом Галилея, и, вероятно, в значительной степени содействовал враждебности, с которой иезуиты стали относиться к Галилею». В книге Macchie Solari Галилей впервые заявил о своей приверженности учению Коперника. Здесь он говорил о важности наблюдений, экспериментального исследования природы, намекая на тупиковость схоластического подхода.

После появления в 1616 году вердикта церкви, запрещающего пропаганду идей Коперника, по секретному доносу (увы, распространена версия, что именно Христофор Шейнер имел к нему прямое отношение) Галилея вызвал к себе кардинал Беллармин. Выдающемуся ученому было категорически запрещено пропагандировать и даже разделять (!) взгляды Коперника.

Конфликт продолжался. Некогда относившийся к Галилею по-дружески Папа Римский Урбан VIII перешел в стан его личных врагов. В 1633 году уже пожилой, слепнущий (не во время ли первых телескопических наблюдений Солнца он повредил зрение?..) Галилей был вынужден на коленях публично отречься от своих взглядов. Воистину, это одна из самых мрачных сцен в истории христианства, да и всей европейской цивилизации! В этой истории, как это было не раз, христианская религия проявила себя как крайне консервативный оплот невежества, преследователь свободомыслия, противник логики и интеллектуального поиска. Видимо, осознавая это, Папа Римский Иоанн Павел II спустя почти четыре столетия официально признал ошибочной тогдашнюю позицию католической церкви по отношению к Галилею[1].

История представляет именно Галилея в роли первооткрывателя солнечных пятен. Мы увидели, что формально это не совсем так. Но нужно признать, что именно Галилей в 1613 году первым доказательно оповестил мир о том, что темные образования на сияющем фоне солнечного диска суть детали самого Солнца, а не гипотетические планеты, проецирующиеся на светило.

Тем временем, посрамленный и, видимо, оскорбленный Шейнер продолжал регулярные и настойчивые наблюдения Солнца, тогда как Галилей их прекратил. В 1630 году была опубликована книга Шейнера, где содержались многочисленные зарисовки солнечных пятен. Книга вышла под названием Rosa Ursina sive Sol («Роза дома Орсини») и была посвящена, как тогда было принято, некоему герцогу. На гербе герцогов Орсини фигурировали роза и медведь, что, собственно, и вызвало к жизни название, столь странное для восприятия сегодняшнего дня.

Рис. 9. Рисунок из Rosa Ursina sive Sol Христофора Шейнера

Первая часть книги посвящена критике Галилея, далеко не во всем справедливой. Но этот трактат важен, конечно, не этим. Работа Шейнера показала, насколько необходимы для науки систематические, длительные наблюдения природных явлений.

Во-первых, зарисовки Шейнера оказались едва ли не единственными свидетельствами уровня солнечной активности в начале XVII века, и поздние исследователи использовали его материалы для воссоздания картины пятнообразования на Солнце в эти годы. Уже из наблюдений Шейнера было видно, что число пятен на Солнце регулярно меняется – бывают периоды, когда их очень много, а бывает, что их нет совсем. Труды астронома-иезуита помогли впоследствии уточнить открытую позже закономерность: 11-летнюю цикличность солнечной активности.

Во-вторых, как и Галилей, Шейнер обнаружил, что пятна на Солнце появляются не где попало, а в пределах зоны, простирающейся на 30 градусов к северу и югу от экватора. Эту зону Шейнер назвал «королевской», так она называется на профессиональном языке гелиофизиков и по сей день.

В-третьих, регулярные наблюдения позволили Шейнеру выявить фундаментальное свойство вращения Солнца – его дифференциальность. Суть феномена заключается в том, что экваториальные слои Солнца вращаются быстрее, чем полярные, причем различие составляет почти 30 %! На сегодняшний день известно, что для широты 16 градусов средний синодический период (относительно Земли) составляет 27,275 суток. Во времена Шейнера в качестве реперов (опорных меток) на поверхности Солнца могли использоваться только пятна, поэтому о сказать что-либо о скорости вращения на высоких широтах было невозможно, – там просто не за что было зацепиться взгляду! Но дифференциальность вращения в королевской зоне наблюдалась (по пятнам) вполне отчетливо, и всякий мыслящий человек мог сделать заключение, что твердое тело так вращаться не может! Это был первый научный факт (конечно, кроме факта высокой излучающей способности и, соответственно, очевидно высокой температуры Солнца), который можно было использовать для понимания физической природы светила.

Наконец, на зарисовках из Rosa Ursina явственно видна неоднородная структура крупных пятен: темная «сердцевина» (тень) и окружающая ее серая «каемка» (полутень). Такие же выводы были сделаны и Галилеем.

Оба исследователя обратили внимание на то, что группы солнечных пятен, как правило, бывают окружены областью повышенной яркости. Эта область порой имела сложную форму, и в дни с хорошим качеством изображения было видно, что она состоит из множества ярких округлых узелков. Эти зоны первоначально были названы Шейнером «маленькими светочами», а позднее получили окончательное название – факелы. Удивительным было то, что факелы хорошо выделялись на восточном краю Солнца, но по мере того как Солнце поворачивалось ото дня ко дню и факелы оказывались в центральной зоне солнечного диска, их контраст почему-то резко понижался, и они становились неразличимыми. Приближаясь к западному краю Солнца по мере вращения светила, факелы снова становились заметными. Удалось отметить, что факельные поля меняют свою конфигурацию не так быстро, как пятна, могут появляться до пятен и исчезать существенно позже после исчезновения пятен.

И еще одно свойство (впрочем, не сразу замеченное) удалось отметить в процессе наблюдений Солнца в телескоп. Оказалось, что яркость светила неодинакова! Ближе к краям диска Солнце оказалось чуть темнее. Факт потемнения Солнца к краю свидетельствовал о каких-то его физических свойствах, которые также удалось расшифровать значительно позднее.

Впервые за всю историю удалось обнаружить хоть какие-то явления и процессы на Солнце. Светило оказалось «неидеальным». «Идеальность» (в смысле абсолютной неизменности) Солнца в прошлом не давала исследователям возможности понять его природу: им было не за что «зацепиться». Выдвигались совершенно умозрительные (в смысле бездоказательности) версии о его сущности только потому, что фактически не было известно никаких свойств Солнца, которые можно было бы хоть как-то интерпретировать! Все известные свойства можно было выразить одной фразой: «излучающий свет и тепло гигантский диск (или шар) в небе». Теперь же становилось понятно, что на Солнце идут какие-то процессы, причем достаточно нерегулярные: динамика солнечных пятен и факелов выглядела первоначально совершенно хаотичной.

Было бы справедливо, если бы и Галилео Галилей, и Христофор Шейнер, и Иоганн Фабрициус вспоминались почаще благодарными потомками как первые ученые, заложившие основу телескопических наблюдений Солнца. Эти наблюдения позволили наконец после полуторатысячелетнего перерыва сделать новый шаг в понимании того, что же представляет собой дневное светило.

К линзе мильонократной

Если глаза прильнут,

Белкой – по снегу —

Пятна

Вспыхивают там и тут…

Так написал поэт Николай Зиновьев. Понятие «солнечные пятна» прочно вошло в культурный код человечества.

Лекция третья

Солнце темное и холодное

Не тайна, что высокомудрый Гершель предполагал, что Солнце обитаемо. Он полагал, что солнечные пятна – подобья дыр в какой-то пылкой туче вкруг Солнца, а само оно не жгуче, и жизнь на нем, считал он, вероятна.

Леонид Мартынов

В науке лучше исходить из неправильной гипотезы, чем из никакой.

Д. И. Менделеев

Солнце – это такая планета, даже больше, чем Земля, на которой очень жарко. Люди там не живут, потому что там один огонь. Там ничего нет, только жара.

Наташа Беляева, 6 лет

Каким же виделось Солнце нашим давним предшественникам с учетом выдающихся открытий начала XVII века?

История астрономии (да, впрочем, и всей естественной науки) показывает, как много значит для человека его опыт. Накопленный опыт мы стараемся перенести в новые сферы, туда, где появляются новые необъясненные факты.

В ряде случаев это оправдано. Знаменитое изречение Уильяма Оккама (1285–1347) – так называемая «бритва Оккама» – звучит так: «Не следует вводить новые сущности без необходимости». Это означает примерно следующее: для объяснения новых фактов сначала имеет смысл попытаться применить уже известные из накопленного опыта объяснения. И только в том случае, если известный опыт окажется неприменимым, можно переходить к введению неких новых сущностей для объяснения фактов.

Что и говорить, в нашей повседневной жизни «бритва Оккама» – правило полезное. Я уже приводил в своей книге «Мифы минувшего века» пример с пропавшим кошельком. Конечно же, можно для объяснения пропажи кошелька вводить новую сущность, например инопланетян, его похитивших. Но было бы полезнее (и эффективнее) сначала отработать другие версии, более привычные и следующие из нашего богатого опыта. Например, поискать в других карманах и сумках, вспомнить, где мы могли кошелек оставить или выронить. В большинстве случаев правило работает, и мы так и не добираемся до ввода новых сущностей, успешно находя объяснение среди сущностей давно известных. Когда российский уфолог Владимир Ажажа в своих интервью в конце ХХ века объяснял исчезновения людей в России похищениями инопланетянами, это было ярким примером ненаучного подхода и нарушением «бритвы Оккама»: данные МВД показывают, что инопланетяне тут совсем ни при чем.

Понятно, что правило работает не всегда – прежде всего тогда, когда мы сталкиваемся с такими фактами, где наш опыт уже не работает. Проблема заключается в том, что наперед неизвестно, можно ли для объяснения новых фактов использовать накопленный в других ситуациях опыт или нет. Но всегда имеет смысл попробовать это сделать и искать иные объяснения только тогда, когда окажется, что все известные объяснения противоречат другим фактам.

Попытки объяснить новые факты, касающиеся Солнца, в основном опирались на известный опыт. Время показало, что эти первые попытки оказались ошибочными. Применение (сознательное или несознательное) подхода, предложенного Оккамом, в данном случае не сработало: человечество столкнулось с фактами за пределами имеющегося опыта.

Любопытно, что почти за два века до наблюдений солнечных пятен Галилеем и его коллегами по цеху астрономов, о природе Солнца рассуждал кардинал Николай Кузанский (1401–1464) – широко образованный ученый, сын рыбака с берегов Мозеля. Николай Кузанский написал трактат De docta ignorantia («Об ученом невежестве»), который стал одним из заметных литературных памятников Раннего Возрождения. В этом трактате кардинал Кузанский рассуждает, помимо прочего, о Солнце:

«Для зрителя, находящегося на поверхности Солнца, незаметен тот блеск, который мы видим, так как центральное ядро Солнца похоже на Землю и помещено внутрь оболочки света и тепла, а в промежутке между ними заключена атмосфера воды, облаков и прозрачного воздуха… Так же и Земля должна казаться сияющей звездой для всех, кто находился бы по ту сторону огненного элемента».

Это замечательное рассуждение, конечно, было выполнено под влиянием древних представлений о существовании различных стихий – земли, воды, воздуха и огня. При этом сделана попытка «находить аналогии между небесными светилами и нашей ничтожной Землей», как писала Агнесса Кларк по поводу трактата кардинала. Согласно этому рассуждению, все светила оказываются одинаковыми и похожими на Землю. Они твердые и окружены воздушными атмосферами с облаками, на твердой поверхности может быть вода. Но снаружи все небесные тела окружены сияющими, ярко светящимися оболочками, и Земля со стороны должна выглядеть так же, как и Солнце!

В рамках такой модели специальный слой облаков должен спасать холодную поверхность твердого Солнца от жара внешней светоносной оболочки…

Рис. 10. Холодное Солнце по Гершелю. Внешний светоносный слой излучает наружу. Жителей Солнца спасает от потока света и тепла непрозрачный слой облаков

Такие представления, развитые в XV веке, опередили свое время. Позднее, в XVIII веке, эта точка зрения получила дальнейшее распространение – в частности, ее поддерживал и развивал великий английский астроном-наблюдатель, открыватель планеты Уран Уильям Гершель (1738–1822). По Гершелю, Солнце представляло собой холодный, темный твердый шар, поверхность которого «украшена горами и долинами, одета богатейшей растительностью и обильно снабжена живыми существами». Этот шар «прикрыт тяжелыми облаками от невыносимого зноя светоносной области, где ослепительный слой солнечных сполохов мощностью в несколько тысяч километров выделяет запасы света и тепла, дающие жизнь всему нашему миру».

«Этот взгляд на Солнце и его атмосферу, – писал далее Гершель, – уничтожает великую рознь между строением центрального светила и строением других больших тел Солнечной системы. Солнце, так истолкованное, является ничем другим, как планетой, громадной и сияющей, наибольшей среди остальных и даже, строго говоря, единственной планетой, так как остальные – просто его спутники. А полное сходство Солнца с планетами, выраженное в одинаковой прочности и твердости, одинаковой атмосфере, в веселом пейзаже поверхности, во вращении вокруг оси, в свойстве притягивать весомые тела – такое сходство ведет к заключению, что, по всей вероятности, Солнце, подобно всем остальным планетам, населено живыми существами, организмы которых, конечно, приспособлены к особенностям условий жизни на этом громадном шаре»[2].

Гершель в своей статье, опубликованной в 1795 году, приводил замечательные соображения против доводов, что жар светоносного слоя может опалить расположенную внизу темную поверхность: «На достаточно высоких вершинах гор… мы всегда находим участки, покрытые льдом и снегом. Теперь, если сами солнечные лучи передали все тепло, которое мы находим на этом небесном теле, они должны быть самыми горячими там, где их ход меньше всего прерывается. Опять же, наши аэронавты подтверждают, что в верхних слоях атмосферы холодно…»

Гершель полагал, что нижние слои атмосферы и темная твердая поверхность Солнца не способны подвергаться какому-либо особому воздействию лучей светоносного слоя.

Воистину, это была красивая идея, оказавшаяся абсолютно неверной. Она основывалась на стремлении «не вводить новые сущности» и объяснить все небесные тела одинаковым образом, знакомым на примере Земли. Наглядны здесь и попытки привлечь для объяснения солнечных явлений результаты наблюдений процессов и явлений на Земле (использование имеющегося опыта). Впрочем, для этой идеи все-таки понадобилась некая новая сущность: пришлось декларировать существование таинственного яркого светоносного слоя, охватывающего небесные тела над слоем непроницаемых облаков.

Заметим попутно, что идея кардинала Кузанского в приложении к Земле разбивается самим фактом возможности созерцать ясное звездное небо с поверхности нашей планеты: где же тогда охватывающий Землю светоносный слой? Или он анизотропен – излучает почему-то только вверх, а для нас, смотрящих снизу, прозрачен?

Второй удар по этой теории могли бы нанести наблюдения Луны: никакого светоносного слоя на Луне не видно, и еще Аристотель убедительно показал, что свечение Луны в небе полностью объясняется освещением ее Солнцем… Теоретики прошлого (впрочем, настоящего тоже!) иногда не видят очевидных фактов, опровергающих их концепции, и обсуждают только факты, говорящие в их пользу…

Но были и факты, которые интерпретировались в рамках концепции «холодного» Солнца. Речь идет об открытии солнечных пятен и факелов! Пятна на Солнце смотрелись черными, как уголь, на фоне ослепительно сверкающей поверхности Солнца. Как пытались современники Галилея объяснить эти новые для человечества явления?

Первую версию, объясняющую факт существования солнечных пятен через множество малых планет, проплывающих перед взглядом наблюдателя на фоне солнечного диска, мы уже упоминали. Автором этой версии был Христофор Шейнер, который высказал ее под контролем католических священников. Позднее эту же гипотезу высказывал Уильям Гаскойн – изобретатель микрометра. Но приверженцев этой версии было мало, особенно после убедительных контрдоводов Галилея.

Что думал сам Галилей о наблюдавшихся им солнечных пятнах? Он полагал, что пятна – это некие облака, плавающие в яркой атмосфере Солнца:

«На лике Солнца благодаря телескопу видны возникновение и распад плотных и темных материй, по внешности очень похожих на облака вокруг Земли, и многие из них столь обширны, что значительно превосходят не только поперечник Средиземного моря, но всю Африку и даже всю Азию», – произносит персонаж по имени Сальвиати в книге Галилея «Диалог о двух главнейших системах мира – птолемеевой и коперниковой». (Сальвиати в книге – это alter ego, второе «я» самого Галилея.)

Астроном и врач Симон Мариус выдвинул предположение, что пятна на Солнце – это шлак, плавающий на поверхности светила. В 1618 году эта точка зрения, как казалось, нашла дополнительные подтверждения. На небе тогда наблюдались три яркие кометы, а пятен на Солнце не было видно вообще (настал минимум солнечной активности, как мы говорим сегодня). На основании этих наблюдений появилась следующая версия: пятна – это пепел, продукт горения солнечного пламени. Теперь этот пепел оказался выброшенным в космическое пространство (он-то и наблюдался в виде комет!), а Солнце разгорелось с новой силой, как свеча, с которой сняли нагар.

Спустя почти век, анализируя свои наблюдения Солнца в 1703–1711 годах, астроном Уильям Дергам (Дерем) писал:

«Пятна на Солнце вызваны извержениями чего-то вроде солнечных вулканов; сначала такой вулкан выбрасывает громадные массы копоти, дыма и других непрозрачных веществ – мы видим пятна, когда же эта темная материя расползается и исчезает, а вулкан становится все более и более свирепым и полным огня, – пятна пропадают и обращаются в “полутени” и, наконец, в факелы».

Стоит заметить, что наличие вулканов предполагает существование твердой поверхности солнечного шара – как писали кардинал Кузанский, а затем Уильям Гершель. В модели Дерема находили объяснение и факелы, наблюдавшиеся после исчезновения темных пятен. Получалось, что это яркие выбросы вулканов, вышедших на максимальный режим энерговыделения, когда копоть и дым уже рассеялись…

Иная трактовка факта существования солнечных пятен была предложена астрономом Джованни Кассини (1625–1712) в 1671 году и развита Жозефом Лаландом (1732–1807). Согласно Лаланду, пятна на Солнце – это горные возвышенности, высокие вершины, случайно открываемые во время отливов светоносного океана. Полутени солнечных пятен в рамках такого подхода рассматривались как отмели этого океана, неглубокие места, где темные породы просвечивали сквозь океан, но выглядели не так контрастно, как сердцевины (тени) солнечных пятен – пики горных вершин.

7 марта 1681 года Джон Флэмстид (1646–1719), первый королевский астроном и директор обсерватории в Гринвиче, сообщил великому физику и астроному Исааку Ньютону (1642–1727) свое мнение о природе Солнца. «Вещество Солнца сходно с веществом Земли, а свет Солнца – это только некая жидкая субстанция, его окружающая», – писал он.

Спустя столетие немецкий астроном Иоганн Боде (1747–1826), автор названия «Уран» для открытой Гершелем новой планеты и будущий директор Берлинской обсерватории, пришел к следующему выводу, опубликованному им в 1776 году: «Солнце само по себе не горит и не сияет, оно не что иное, как темное планетарное тело; на нем, как на нашей Земле, существуют и материки, и океаны; на материках чередуются горы и равнины; а окружено Солнце атмосферой паров».

Большинство ученых в конце XVIII века одобряли и разделяли эти взгляды!

Противники научного подхода могли бы здесь сказать, что все это говорит не в пользу науки: не в первый и не в последний раз основная идея (парадигма) оказывалась неверной. Но думается, что такие рассуждения безосновательны.

Ошибки совершаются как раз тогда, когда нарушаются принципы научного метода. Наука вправе выдвигать любые гипотезы. Условие здесь одно: новая гипотеза не должна нарушать законы логики и противоречить уже известным доказанным закономерностям.

Была ли гипотеза о твердой и холодной поверхности Солнца научной? Безусловно, была – на уровне знаний, имевшихся у человечества в XVII–XVIII веках. Другое дело, что, видимо, следовало говорить об этой версии именно как и гипотезе, то есть не декларировать существование на Солнце гор и долин, которые никто никогда не видел, а приводить соображения о том, что в рамках выдвинутой, но еще не подтвержденной гипотезы такое не исключено.

Заметим для критиков научного метода, что научный метод – единственный из существующих у человечества подходов к изучению окружающего мира, который сам в себе несет возможность самопроверки и самоконтроля. Наука – это уникальный компонент культуры, который сам проверяет собственные гипотетические построения и сам удаляет оказавшиеся неверными версии.

Конечно, хотелось бы быстрее приходить к истине – это движение иногда занимает столетия (впрочем, сегодня все происходит значительно скорее).

Кроме того, всегда остается мысль, что догадаться, прозреть, интуитивно познать истину можно гораздо быстрее, не дожидаясь поддержки экспериментальных проверок. Но без обязательных доказательств (принцип верификации), без разработки обязательного способа проверки выдвигаемых гипотез (принцип фальсификации) мы никогда не сможем уверенно утверждать, что данная гипотеза оказалась верной, и придать ей статус теории.

Наука развивается по собственным внутренним законам. Она может ошибаться – но все ошибки в науке носят принципиально временный характер. Нет сомнений (у автора настоящей книги), что при последовательном использовании научных принципов допущенные ошибки будут обязательно исправлены – если не сегодня, то завтра. Такой уверенности при любом другом подходе нет: метод познания, не основанный на доказательствах, может вечно относиться с доверием к абсолютно неправильным положениям. Библейские представления о строении мира – наглядное тому подтверждение.

Впрочем, как ни удивительно, неквалифицированное общественное мнение оказалось в случае с гипотезой кардинала Кузанского о природе Солнца ближе к истине, чем воззрения многих выдающихся астрономов. Видимый огненный характер Солнца входил в разительное противоречие с построениями Уильяма Гершеля и его единомышленников.

Не могу удержаться от того, чтобы еще раз не процитировать книгу Агнессы Кларк, где приводится замечательный, уже забытый случай из минувших лет:

«Однако подобные взгляды (речь идет о теории темного и холодного Солнца. – С. Я.) в конце XVIII столетия были еще столь далеки от всеобщего распространения, что могли даже послужить признаком умственного расстройства, как это видно из процесса некоего Эллиота, обвинявшегося в 1787 году перед судом в покушении на убийство. Его друг Симмонс думал выгородить Эллиота тем, что представил суду письмо, полученное от подсудимого в январе предыдущего года, содержащее будто бы явное доказательство ненормальности его умственных способностей.

В письме сообщалось, что «Солнце состоит не из огня, как до сих пор думали, но что его свет вызван сплошными, обильными сполохами, которые ярко освещают жителей Солнца внизу и в то же время находятся на достаточном расстоянии от них, чтобы не причинить им вреда. Нет препятствий, – продолжает автор письма, – к обитаемости великого светила; оно может быть одето такою же точно растительностью, как и наша Земля; там могут быть суша и моря, холмы и равнины; там может сменяться дождливая и ясная погода; там вечный свет, там нет смены времен года, и легко представить себе, насколько лучше всех других небесных тел приспособлено Солнце для блаженнейшего существования его обитателей».

Судья, однако, нашел, что необычайная теория еще не может служить доказательством потери рассудка, так как подобную мерку пришлось бы приложить и к многим другим теоретикам, и даже предложил самому Симмонсу сообщить суду, что он лично думает о теории… Бюффона (гипотезе, объясняющей образование планет через выброс солнечного вещества в результате столкновения Солнца с кометой. – С. Я.).

А через какие-то восемь лет та же «нелепая теория», заручившись влиятельной рекомендацией Уильяма Гершеля, добилась почетного приема в чертогах науки, где и пребывала невозбранно около семи десятилетий. Правда, раздавались отдельные голоса против нее, но их доводы имели мало влияния на общее мнение. Требовались более тяжелые «удары», чтобы ниспровергнуть гипотезу, льстившую гордости человеческого ума своей законченностью и той видимой гибкостью, с которой она приспосабливалась к наблюдениям, – гипотезу, удовлетворявшую потребности людей открывать аналогии и сходство там, где на первый взгляд царит лишь полная рознь».

Этим язвительным (и вполне справедливым) пассажем Агнесса Кларк заканчивает изложение данного эпизода.

Итак, начиная с периода первых открытий пятен, факелов и свойств вращения Солнца полтора столетия шло накопление данных (телескопический мониторинг солнечных пятен становился все более регулярным). Но никаких новых данных о строении светила не появлялось! Что касается основной парадигмы о природе Солнца, как было показано выше, возобладала парадоксальная концепция темного и холодного Солнца, похожего во многом на Землю. Солнечные пятна трактовались как детали темной поверхности, иногда проявляющиеся в сплошной завесе из загадочного внешнего светоносного слоя светила.

Некие дополнительные доводы в пользу этой концепции появились в ноябре 1769 года. Английский профессор астрономии Александр Вилсон (1714–1786) наблюдал Солнце с помощью своего телескопа в Глазго. На восточном лимбе (краю) солнечного диска появилось огромное пятно. Вилсон вел наблюдения от дня ко дню – и его старания не пропали даром. Когда пятно, перемещаясь за счет вращения Солнца, достигло западного края диска, ученый заметил, что полутень (каемка, окружающая темную сердцевину – тень, или ядро пятна) со стороны пятна, направленной к центру Солнца, постепенно сужалась и наконец пропала. Когда 6 декабря пятно снова показалось, появившись из-за восточного лимба, Вилсон увидел то, что он и ожидал увидеть: полутень казалась более узкой с противоположной стороны пятна – но опять-таки со стороны, направленной к центру солнечного диска. Полная ширина полутени восстановилась, когда пятно оказалась вблизи центра диска.

Рис. 11. Эффект Вилсона. Рисунок Вилсона из его работы 1774 года. Пятно на краю Солнца воспринимается как углубление в сияющей фотосфере: тень пятна напоминает отверстие, сквозь которое видно темное Солнце, полутень – конические края отверстия

Вилсон несколько лет проверял свои наблюдения на других крупных пятнах с полутенями. Эффект, несомненно, имел место: кольцо окружающей ядро пятна полутени расширялось на внешнем крае и сужалось или исчезало с внутреннего края, подобно скатам ямы. Таким образом, вырисовывалась следующая картина: солнечные пятна были подобны углублениям (воронкам) в сверкающей поверхности Солнца, и на дне этих воронок наблюдалось темное вещество тени пятна! Полутень при таком рассмотрении выглядела как пологие скаты воронки…

Эффект Вилсона был описан в его статье, изданной в 1774 году. Следует упомянуть, что последние, наиболее совершенные наблюдения Шейнера полтора столетия ранее уже давали основания полагать, что пятна – это своеобразные углубления в поверхностном слое Солнца, который немецкий астроном Иоганн Шретер (1745–1816) назвал фотосферой.

Французский астроном Филипп де ля Гир (1640–1718) в 1703 году и уже упоминавшийся Джованни Кассини в 1719 году обратили внимание, что пятно на краю Солнца (при хорошем качестве изображения) выглядело как зазубрина (углубление) в линии края диска. К выводам, подобным сделанным Вилсоном, пришел и пастор Шюлен из немецкого города Эссингена.

Неоднократно подтвержденный наблюдениями эффект Вилсона привел открывателя к интерпретации в духе теории темного Солнца.

«Нельзя ли допустить, – писал Александр Вилсон, – что великое, изумительное небесное тело сложено из веществ двух родов, совершенно различных по своим качествам: внутренняя, наибольшая часть Солнца тверда и темна, и этот темный громадный шар окружен покровом из тонкого слоя того сверкающего материала, который сообщает Солнцу все его живительное тепло и всю энергию?»

Далее исследователь писал, что впадины или пятна могут быть вызваны «действием каких-нибудь упругих газов или паров, образующихся в темном внутреннем теле Солнца», а светоносное вещество, достаточно жидкое, повинуясь силе тяжести, стекает вниз и растекается по всему темному ядру. Таким образом, по Вилсону, солнечные пятна оказывались не только углублениями, но даже отверстиями в светлой оболочке, через которые становилась видимой темная поверхность Солнца.

Собственно, публикация Вилсона и была развита Уильямом Гершелем спустя 20 лет, когда в 1795 году он красноречиво описал концепцию темного Солнца, наблюдаемого сквозь отверстия в сияющем светоносном слое, со ссылкой на результаты Вилсона.

Правильное объяснение эффекта Вилсона заключается в том, что в пятне, как выяснилось существенно позже, вещество прозрачнее, чем в окружающей фотосфере. По сути дела, работа Вилсона оказалась первым в истории физическим исследованием свойств солнечных пятен. Эта статья стоит особняком: и на протяжении предыдущих 100 лет, и на протяжении последующих 100 лет физикой пятен никто не занимался. Делались лишь попытки изучать статистику появления пятен на Солнце и закономерности их пространственного распределения (об этом позже).

Замечательные наблюдения и подробные описания эффекта Вилсона дали нам новые знания о Солнце. Но, к сожалению, интерпретация его результатов оказалась грубо неверной. Она лежала в ключе усиливавшей свои позиции концепции темного и холодного Солнца, окруженного тонким светоносным слоем.

Она (эта интерпретация) существенно упрочила позиции данной идеи, которая все в меньшей степени воспринималась как проявление безумия (см. выше историю суда над господином Эллиотом) и становилась базовой теорией строения Солнца. В первой половине XIX века эта концепция стала парадигмой.

Дополнительные соображения в пользу концепции, развивавшейся Уильямом Гершелем, высказал его сын астроном Джон Гершель (1792–1871). Он обратил внимание на давнее открытие Шейнера – возникновения пятен в «королевской» зоне, не далее чем в 30 градусах к северу и югу от солнечного экватора. Расположение пятен в этих двух широтных зонах, параллельных экватору, давало основания полагать, что образование пятен как-то связано с вращением Солнца. Вероятнее всего, как указал Джон Гершель, причина появления пятен кроется в круговоротах жидкой либо газообразной материи, аналогичной земным пассатам и антипассатам.

Тенденция переносить земной опыт на Солнце успешно продолжала развиваться!

«Пятна могут быть приравнены к таким областям Земли, где в данное время господствуют ураганы и вихри», – писал Джон Гершель, описывая результаты своих наблюдений солнечных пятен на мысе Доброй Надежды. Здесь он наблюдал в 1837 году гигантскую группу пятен площадью в 10 миллиардов квадратных километров, что произвело на него сильное впечатление. «Внешняя оболочка Солнца временами падает вниз, смещает и разрывает своим натиском два нижних светоносных слоя, причем верхний слой, конечно, разрывается больше, чем нижний, и таким образом почти или совершенно обнажает внизу часть темной поверхности самого ядра Солнца. Такое явление неизбежно сопровождается вихрями, которые затем, будучи предоставлены самим себе, постепенно затихают и исчезают. Движение замирает в нижних слоях раньше, чем в верхних, во-первых, вследствие большего сопротивления, которое там развивается, во-вторых, вследствие большего удаления от очага первичной силы, который лежит, несомненно, в верхних слоях. Таким образом, центры ураганов (совершенно подобно тому, как это происходит в наших водоворотах – ураганах в миниатюре) при затихании возвращаются понемногу все выше и выше. Все это совершенно согласуется с тем, что мы видим в пятнах при их разрушении: пятна как бы заливаются светоносной материей, края их сдвигаются все ближе и ближе, полутень понемногу закрывает ядро пятна, а затем исчезает и сама…»

Мы видим, что Джон Гершель продолжал на основе новых наблюдений развивать концепцию, которой придерживался его отец.

Снова зададимся вопросом: была ли «ураганная» гипотеза Гершеля-младшего научной?

Безусловно. И, как всякая научная гипотеза, она требовала как доказательств в свою пользу, так и разработки методов своей проверки. В какой-то степени гипотеза впоследствии оправдалась – в том смысле, что вихревые движения в пятнах и их окрестностях действительно наблюдаются. Но вот основа возникновения пятен оказалась совсем иной. Общая идея темного Солнца, как выяснилось, также не имеет ничего общего с действительностью. Наука медленно набирала информацию, перебирала и проверяла выдвигавшиеся гипотезы, совершенствовала методы исследования.

Знаний для окончательной проверки гипотез по тем временам не хватало. Это сегодня мы понимаем, что энергия, выделяемая Солнцем в единицу времени, чудовищно велика, и невозможно обосновать природу таинственного светоносного слоя, который извергал бы миллиардами лет мощный поток излучения в окружающее пространство. Закон сохранения энергии не в состоянии объяснить, откуда могла бы браться энергия светоносного слоя, который согласно законам термодинамики должен быть при этом очень горячим. Кроме того, можно легко доказать, что при наличии такого слоя внутреннее ядро Солнца не сможет оставаться столь темным и холодным, чтобы там текли реки и жили живые существа. Физика убедительно доказывает, что никакие облака не спасут «холодное Солнце», и солнечная поверхность должна прийти в состояние термодинамического равновесия со светоносным слоем, а значит, быстро нагреться до столь же высоких температур.

Но все эти разделы физики, закономерности и правила были открыты, опробованы, испытаны и экспериментально проверены существенно позже. Доказательства невозможности модели темного Солнца появились в середине XIX века. Тогда же была сделана череда фундаментальных открытий, которые позволили наконец подойти ближе к пониманию загадочной природы Солнца.

Уместно вспомнить, что замечательный русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765) еще в своем XVIII веке не сомневался, что Солнце – объект горячий:

Там огненны валы стремятся

И не находят берегов,

Там вихри пламенны крутятся,

Борющись множество веков,

Там камни, как воды, кипят,

Горящи там дожди шумят…

Достаточно адекватное художественное представление Солнца, как оказалось…

Лекция четвертая

Солнце, состоящее из газа

Человек увидал в небе золотой шар: он полез за ним и в конце концов добрался к нему – шар был глиняный. И вот что странно: когда человек вернулся на землю и опять посмотрел в небо, там был золотой шар. И вот что странно: это был золотой шар. Клянусь небом, это был золотой шар.

Стивен Крейн

Не менее того любопытно исследовать, из каких веществ состоят другие миры, и узнать, что вещества сии те же самые, кои составляют массу Земли нашей.

Йёнс Берцелиус

Вопрос о природе Солнца оставался открытым.

Идея «огненного шара» требовала пояснений. Если шар – это сгусток огня, то что, собственно, горит? И почему горит так долго и так стабильно? Весь опыт человека говорил о том, что для горения требуются как минимум топливо и воздух.

Есть ли в космическом пространстве воздух, было непонятно. В Древней Греции полагали, что воздухом (и эфиром) заполнен весь мир. Спустя много веков стало ясно, что воздуха, скорее всего, нет: его гигантская толща не позволила бы видеть удаленные светила, да и трение должно было мешать движению планет. Отсутствие воздуха (точнее, кислорода) – несомненно, проблема для гипотезы о горении. Вторая проблема была не менее значимой: что же все-таки горит в небе?

В XIX веке получила широкое распространение идея, что на Солнце (твердом и темном) ярко горит уголь… Происхождение идеи очевидно: именно уголь уверенно становился главным источником энергии для человечества (нефть и газ – это реалии следующего века), и уже не первый раз люди переносили свой земной опыт на небо. Но почему солнечный уголь горит так ровно, без дыма, и как минимум тысячами лет не прогорает? Было ясно, что такое объяснение грешит многочисленными нелогичностями, и многое оставалось непонятным.

Французский философ Огюст Конт (1798–1857), основатель философского направления, которое обычно именуется позитивизмом, писал в 1835 году: «Мы представляем себе возможность определения их (небесных тел. – С. Я.) форм, расстояний, размеров и движений, но никогда, никакими средствами мы не сможем изучить их химический состав, их минералогическое строение, природу органических существ, живущих на их поверхности… Я остаюсь при своем мнении, что любое знание истинных средних температур звезд неизбежно должно быть навсегда скрыто от нас».

Воистину, «никогда не говори никогда»! Наука дала, дает и, несомненно, еще будет давать потрясающие примеры того, как становится возможным, привычным и обыденным то, что еще вчера считалось абсолютно недопустимым.

Действительно, казалось бы, о природе Солнца ничего нельзя узнать, поскольку расстояние до него чрезвычайно велико. Прогресс астрономии позволил уже в XIX веке довольно точно определить расстояние от Солнца до Земли – почти 150 миллионов километров. Это огромное расстояние, и поэтому нет никаких шансов, что вещество Солнца сможет попасть на Землю. Мы лишены возможности взять кусочек солнечной материи на анализ. Мы не можем измерить непосредственно температуру светящейся видимой поверхности Солнца (фотосферы). Поэтому утверждение Конта выглядело более чем убедительно.

По сути, наш контакт с Солнцем осуществляется только через его излучение. На поверхность Земли попадает не вещество светила, но его свет, электромагнитное излучение! (Конечно, можно заметить, что во все стороны от Солнца распространяются и мельчайшие частицы вещества – так называемый солнечный ветер. Но сквозь земную атмосферу они до поверхности Земли, где находятся наблюдатели, не долетают.)

Оказалось, тем не менее, что свет Солнца несет в себе громадный объем информации о самом светиле. Проблема заключалась лишь в том, чтобы суметь ее оттуда извлечь…

В 1811 году выдающийся французский физик, астроном, политический деятель и блестящий популяризатор астрономии Доминик Франсуа Араго (1786–1853) изобрел первый в истории астрофизический прибор – полярископ. Применив прибор к изучению солнечного света, Араго открыл эффект так называемой хроматической поляризации света. На основании этого обнаруженного им явления Араго сделал убедительный вывод: сияющая солнечная фотосфера, похожая, как говорил Уильям Гершель, на кожу апельсина, не может быть ничем иным, кроме как раскаленным самосветящимся газом! Несмотря на это, концепция твердого и холодного Солнца, прикрытого снаружи горячей фотосферой, существовала, как указано в предыдущей лекции, еще несколько десятилетий…

Исследование солнечного света тем временем продолжалось. Пропускание пучка солнечного света через стеклянную призму еще Исааку Ньютону позволило разложить свет на так называемый спектр.

Дело в том, что Солнце, как известно на сегодняшний день, излучает электромагнитные волны самой разной длины. Светило, например, иногда испускает чрезвычайно короткие волны, которые названы гамма-излучением. Более длинные волны, открытые в самом конце XIX века, названы по имени их открывателя Вильгельма Рентгена (1845–1923) рентгеновскими лучами. Еще более длинные волны – это ультрафиолетовое излучение.

Весь коротковолновый участок шкалы электромагнитных волн (от гамма- до ультрафиолетового излучения) сквозь атмосферу Земли практически не проходит, – точнее, проходит весьма незначительная его часть. Это, скажем попутно, очень хорошо: коротковолновое излучение губительно для всего живого на поверхности Земли. Исследования этой части излучений Солнца начались сравнительно недавно, когда люди с помощью специальной аппаратуры, вынесенной за пределы земной атмосферы на ракетах и спутниках, начали систематические наблюдения Солнца в новых, недоступных для наземных наблюдений диапазонах длин волн электромагнитного излучения.

К диапазону ультрафиолетовых лучей примыкает участок так называемого видимого света. Излучение в этом диапазоне длин волн практически беспрепятственно достигает поверхности Земли. Именно поэтому глаза обитателей нашей планеты за миллиарды лет эволюции приспособились воспринимать видимый свет. Ультрафиолетовое излучение, например, наши глаза не видят, и это понятно: эволюции не было никакого смысла формировать орган, рассчитанный на чувствительность к излучению, которого на Земле нет…

Зато наши глаза научились великолепно различать видимые излучения по длинам волны. Например, свет, длина волны которого составляет 650 нанометров (1 нанометр – миллиардная доля метра), воспринимается нашими глазами как красный цвет. Если длина волны света около 400 нанометров, мы видим фиолетовый цвет. Поэтому, если зрение человека в порядке (человек не дальтоник), он может довольно точно, в буквальном смысле слова «на глаз» определять длину волны электромагнитного излучения в видимом диапазоне.

Здесь нужно сделать оговорку. Если мы смешаем два цвета (например, красный и желтый), то есть будем рассматривать поток излучения, где присутствуют волны сразу двух типов, – наши глаза нас обманут. Мы увидим оранжевый цвет, хотя на самом деле света с длиной волны около 600 нанометров (соответствующей нашему восприятию оранжевого цвета) в потоке нет. Аналогично, свет, в котором присутствуют все волны видимого диапазона – от красного до фиолетового – мы воспринимаем как белый…

К длинноволновому концу видимого диапазона (мы его воспринимаем как насыщенный красный цвет) примыкает излучение, которое наши глаза уже не могут зафиксировать, – инфракрасное. Но зато мы можем почувствовать это излучение не глазами, а кожей как поток тепла. Это излучение тоже почти без потерь проходит сквозь земную атмосферу.

Еще более длинные волны находятся в радиодиапазоне, и чтобы их зарегистрировать, нам понадобятся специальные устройства – радиоприемники. Солнце излучает и в радиодиапазоне! Но не все радиоволны проходят к нам сквозь атмосферу: некоторые длины волн атмосфера не пропускает, некоторые же проходят практически свободно.

В самом начале XIX века физики начали использовать наработки Ньютона для исследования солнечного света, – конечно же, пока только в видимом диапазоне длин волн. О существовании излучений с длиной волны меньше и больше, чем у видимого света, можно было только догадываться.

Новое устройство, которое получило название «спектроскоп», позволило совершить грандиозный прорыв в физике.

Свет Солнца пропускался через узкую прямолинейную щель, за которым стояла линза, формировавшая параллельный пучок света. Этот свет направлялся сквозь главный элемент прибора – стеклянную призму. Проходя сквозь призму, «белый» свет Солнца разлагался на спектр: красные лучи отклонялись под одним углом, желтые – под другим, и так далее. Спектроскоп позволял развести в разные стороны лучи с разной длиной волны! В результате изображение прямолинейной щели размывалось, и вместо яркой белой линии получался солнечный спектр (разложение по цветам, или, что то же самое, по длинам волн). Спектр выглядит как длинный радужный прямоугольник, где красный цвет плавно переходит в оранжевый, оранжевый – в желтый, желтый – в зеленый, зеленый – в голубой, голубой – в синий, синий – в фиолетовый. Эта радужная полоска получила название «непрерывный спектр Солнца».

Какую информацию о Солнце мог дать его спектр? На первый взгляд, несущественную – можно было сказать лишь одно: в солнечном свете присутствуют излучения с самой разной длиной волны. Но уже в 1802 году Уильям Гайд Волластон (1766–1828) впервые использовал в спектральном приборе прямоугольную щель вместо круглого отверстия, которое со времен Ньютона физики использовали для разложения света в спектр с помощью призмы. Волластон обнаружил, что спектр солнечного света перерезан семью темными линиями. На это удивительное открытие тогда не обратили надлежащего внимания. Волластон решил, что это просто естественные границы различных цветов спектра (радуги)…

В 1814 году выдающийся немецкий оптик и физик Йозеф Фраунгофер (1787–1826) опубликовал результаты своего детального и тщательного исследования солнечного спектра. Оказалось, что спектр Солнца буквально испещрен, изрезан, исчерчен множеством темных линий! Фраунгофер насчитал уже не семь, а около 600 таких линий (всего же их оказалось значительно больше – многие десятки тысяч). Ученый определил и записал положение каждой из этих линий. Основные, самые широкие линии он обозначил буквами латинского алфавита, под которыми они известны и сегодня. Этот частокол линий был назван именем открывателя – «линии Фраунгофера» (см. иллюстрацию на вклейке).

Когда Фраунгофер начал наводить свой прибор на звезды, он убедился, что спектры разных звезд существенно различаются! Некоторые линии (например, та, которая была им помечена буквой D), присутствовала во всех спектрах. Другие же линии были заметно слабее (либо сильнее), некоторые не были видны совсем. Становилось понятно, что набор фраунгоферовых линий и их интенсивность различны для разных источников света (небесных тел), и значит, зависит от условий, царящих на этих источниках. Появлялась возможность по спектру источника света получить информацию об этом источнике!

Эксперименты по получению спектров искусственных источников света пролили свет на сущность линий в спектре. Пионером в этих опытах был шотландец Томас Мелвилл (1726–1753), ушедший из жизни еще в 27-летнем возрасте. Он изучал спектры пламени спирта, в который добавлял поочередно разные вещества: нашатырь, соду, селитру, морскую соль. В отличие от спектра Солнца, спектр пламени представлял собой набор из ярких линий (линий излучения). Почти всегда в спектрах возникала яркая желтая линия, которая присутствовала в спектрах на одном и том же месте.

Фраунгофер повторил опыты Мелвилла. Сначала исследователи были озадачены тем, что желтая линия появлялась в спектрах при горении самых разных веществ: серы, спирта, шерсти, бумаги, слоновой кости. Могло возникнуть впечатление, что эта линия отражает какой-то общий закон природы, некое общее свойство всех без исключения спектров! Но многочисленные проверки показали: желтая линия все-таки появляется тогда и только тогда, когда в горящем веществе присутствовал натрий. Именно раскаленные пары натрия порождали новый эффект.

Исследователь Уильям Сван (1818–1894) писал позднее, что эти опыты показали, насколько чувствителен новый метод (спектральный анализ): линия появляется, даже если натрий присутствует в ничтожных количествах! С другой стороны, эксперименты продемонстрировали, что натрий действительно чрезвычайно распространен в природе. Сегодня мы считаем это естественным: натрий входит с состав поваренной соли, а уж она-то распространена на Земле чрезвычайно широко, будучи растворенной в гигантских количествах в водах Мирового океана…

Опыты продолжались. Разложение на спектр света электрической дуги показало, что набор линий зависит от химического состава используемых электродов. Становилось все более ясно, что спектр может указывать на химический состав источника света. Так были открыты два новых металла: например, рубидий (названный так благодаря красному цвету своей наиболее яркой линии в спектре) и цезий, дававший голубую линию.

Замечательным было следующее. Темная линия D (спектроскописты называют темные фраунгоферовы линии в спектрах линиями поглощения) в спектрах Солнца была точно на том же месте, что и желтая линия натрия в ярких линиях излучения искусственных источников света! При тщательном рассмотрении линия поглощения D оказалась двойной – точно такой же, как и яркая желтая линия излучения натрия в спектре пламени. Становилось понятным, что желтая линия в пламени и темная линия D (тоже оказавшаяся на желтом участке спектра Солнца) указывают на присутствие одного и того же вполне определенного химического элемента (натрия) как в пламени горелки, так и на Солнце! Возникла идея, что каждая линия Фраунгофера указывает в спектре Солнца на присутствие там того или иного химического элемента…

Так оно и есть. Сегодня мы знаем, что атомы различных химических элементов имеют свойство как поглощать, так и излучать свет на вполне определенной длине волны, одной и той же как для излучения, так и для поглощения. Во времена Фраунгофера о строении атомов (и даже их существовании) ничего определенного не было известно, но уже было ясно, что речь идет о разных типах вещества (разных химических элементах).

Процесс, который приводит к образованию линий поглощения, можно качественно описать примерно следующим образом. Если раскаленное Солнце излучает свет на всех длинах волн, то присутствующие на Солнце атомы, поглощая часть этого излучения, как бы «выедают» из спектра часть света, причем каждый тип атомов делает это точно на своей, вполне определенной длине волны. На сегодняшний день теория атомных спектров позволяет рассчитывать, на каких именно длинах волн должен поглощать свет (образовывать линии Фраунгофера) каждый элемент.

Оказалось, что каждый тип атомов может поглощать свет не на одной, а сразу на многих длинах волн (образовывать много линий поглощения). Если атом однократно ионизован (в окружающей его ядро электронной оболочке отсутствует один электрон), появляется новая линия. Если нет двух электронов – другая… В результате атомы, например, железа, лишенные одного, двух, трех, восьми электронов, дадут целый набор соответствующих линий на разных (но вполне определенных) длинах волн.

Всего атомы железа, в разной степени ионизованные, порождают 3288 линий! Титан дает 1085 линий в видимой части спектра, хром – 1028, кобальт – 785, и т. д. Разобраться в этом частоколе линий, конечно, чрезвычайно сложно. Тем не менее, у нас появляется принципиальная возможность, построив полный набор возможных вариантов, отождествить все линии Фраунгофера в солнечном спектре и указать, каким химическим элементам они соответствуют. Каждую линию в спектре Солнца можно сравнить с фрагментом «отпечатка пальцев» того или иного типа атомов, находящихся на Солнце…

От зарождения идеи до ее реализации пройден долгий и сложный путь. Изучить и отождествить многие тысячи линий в спектре Солнца оказалось крайне трудно. Спектральный анализ – дело чрезвычайно сложное и тонкое, зависящее от многих факторов.

Например, довольно скоро выяснилось, что некоторые линии меняют свою интенсивность в зависимости от того, высоко или низко находится Солнце над горизонтом. Оказалось, что эти линии возникают не на Солнце, а в атмосфере Земли, когда солнечный свет проходит сквозь земной воздух. Линии, добавляющиеся к спектру Солнца из-за влияния земной атмосферы, спектроскописты называют теллурическими. Их надо научиться выделять, чтобы понять, какой они вносят вклад, чтобы не спутать вклады Солнца и нашей атмосферы в формирование солнечного спектра.

Спектральный анализ как детально разработанная новая научная методика возник в 1859–1862 годах. Именно тогда были получены решающие достоверные доказательства, что линии Фраунгофера порождаются именно Солнцем. Доказать это было непросто, но это было сделано. Огромный вклад в разработку нового могучего метода внесли немецкие исследователи – физик Густав Роберт Кирхгоф (1824–1877) и химик Роберт Вильгельм Бунзен (1811–1899).

Спектральный анализ развивался на протяжении многих десятилетий и совершенствуется в настоящее время. Надо сказать, что в самом начале его развития, два столетия назад, никто и представить себе не мог его гигантский потенциал!

Во-первых, как показано выше, спектральный анализ может указать на химический состав источника света – в данном случае Солнца. Любопытно, что основополагающие опыты шли полным ходом как раз тогда, когда Огюст Конт провозглашал, что мы никогда не узнаем состав Солнца и иных звезд…

Благодаря спектральному анализу мы теперь в деталях знаем, какие типы атомов (химические элементы) присутствуют на Солнце. Так, второй по распространенности во Вселенной химический элемент был обнаружен первоначально именно на Солнце! Его линии никак не удавалось отождествить ни с какими линиями, которые возникали в земных экспериментах. Оставалось предположить, что это следы некоего неизвестного элемента, существующего на Солнце, но пока не открытого на Земле… Его линии в спектре Солнца в 1868 году были выделены служащим военного министерства в Лондоне и одновременно первоклассным специалистом-астрономом (хотя и любителем) Джозефом Норманом Локьером (1836–1920). Новый элемент был назван «гелий» – в честь греческого названия «гелиос» (Солнце).

Всего на Солнце с помощью спектрального анализа на сегодняшний день отождествлено около 80 химических элементов, а также дейтерий и даже радиоактивный торий. Все они, как оказалось, на Солнце присутствуют. Другое дело, что отсутствие в солнечном спектре линий каких-то химических элементов еще не говорит о том, что таких атомов на Солнце нет: они вполне могут там быть, но создавать линии, например, в недоступной для наблюдений с Земли части спектра. Другой вариант: если атомов какого-то элемента на светиле совсем мало, может оказаться, что соответствующие линии будут просто незаметны. Кстати говоря, несколько сотен слабых линий в солнечном спектре не отождествлены до сих пор: мы пока не знаем, какие элементы их порождают…

Во-вторых, оказалось, что разные линии на фоне непрерывного спектра Солнца не похожи друг на друга. Некоторые – широкие, некоторые – узкие, некоторые – очень темные, некоторые едва заметны.

Если измерить, какую часть излучения поглотили атомы данного вида в середине и на краях поперек темной линии, можно построить так называемый контур спектральной линии. Центральную, самую темную часть контура линии, где света меньше всего, спектроскописты называют ядром линии; края, где света побольше – ее «крыльями». Форма контура на сегодняшний день также рассчитывается при помощи математических моделей в зависимости от типа порождающих линию атомов и сравнивается с тем, что мы в действительности видим на Солнце. Оказалось, что форма контура линии также несет в себе богатую информацию об условиях на Солнце, где формировалась эта линия.

Со временем выяснилось (а соответствующая идея возникла давно), что «мощность» линии, которая описывается формой ее контура, зависит от числа того или иного типа атомов в наружных слоях Солнца. Современная теория формирования спектральных линий, основанная на фундаментальных закономерностях строения атомов и их взаимодействия с излучением, позволяет построить модели, на основании которых рассчитываются относительные концентрации (количество атомов) различных химических элементов на Солнце. Зависимости получаются нелинейные: если одного элемента на Солнце вдвое больше, чем другого, это вовсе не значит, что ширина или глубина контура первой линии будет именно вдвое больше! Зависимости оказались более сложными, но главное, что они сегодня хорошо известны ученым.

Выяснилась удивительная вещь: основные закономерности распределения числа атомов различных элементов по их относительному количеству на Солнце оказались похожими для многих звезд! С этой точки зрения Солнце выглядит довольно типичной звездой, хотя абсолютно одинаковых звезд (т. е. звезд с абсолютно одинаковыми спектрами) не обнаружено, и Солнце тут не исключение – иногда заметные, иногда тонкие отличия в спектрах, конечно же, всегда находятся.

Итак, расчеты позволяют определить не только типы атомов, которые обнаруживаются на Солнце по линиям Фраунгофера, но и относительное количество разных типов атомов!

Теперь мы знаем, что больше всего на Солнце атомов водорода. По числу атомов его примерно в 10 раз больше, чем всех остальных атомов, вместе взятых: водорода на Солнце, по современным оценкам, 90,7 %. По массе же его там меньше, примерно 74 %. Это связано с тем обстоятельством, что водород – самый легкий элемент во Вселенной: его атомов много, но их суммарная масса не столь уж велика.

На втором месте после водорода стоит открытый Локьером гелий. Его наиболее вероятная концентрация – 9,1 % по числу атомов и около 24 % по массе. Нетрудно увидеть, что на все остальные типы атомов приходится всего 0,2 % по числу атомов и не более 2 % по массе. Суммарное число всех атомов обнаруженных на Солнце металлов (необходимо заметить, что астрофизики-спектроскописты непривычно называют металлами все атомы тяжелее гелия), например, почти в 10 тысяч раз меньше, чем атомов водорода.

Впрочем, нужно иметь в виду, что спектральный анализ позволяет изучать состав и относительное содержание элементов прежде всего в тонком слое нижней атмосферы Солнца – фотосфере, а также в находящихся над ней более разреженных слоях газа. Свет, который попадает в земные спектральные приборы, исходит из именно этих слоев. Что же касается более глубоких, непрозрачных и поэтому невидимых для нас слоев Солнца, то оценки их химического состава делаются косвенным методом на основе создаваемых физических моделей.

Таким образом, мы видим, что концентрации различных типов атомов различаются на Солнце очень сильно. Так, например, можно говорить о том, что в атмосфере Солнца на миллион атомов водорода приходится лишь один атом кальция. При этом кальций – вовсе не самый малораспространенный на Солнце элемент, а линия К кальция, – одна из самых заметных в спектре Солнца. Это еще раз показывает удивительную чувствительность спектрального анализа – метода, который уже давно стал основным способом изучения небесных тел в астрофизике.

Помимо данных о химическом составе далекого космического источника излучения (в нашем случае Солнца), спектральные линии способны дать информацию и о других его физических свойствах.

Австрийский физик, профессор математики Христиан Доплер (1803–1853), работавший в Праге, в 1842 году опубликовал результаты своего замечательного исследования. Пусть какой-то источник издает звук с определенной частотой. Согласно эффекту Доплера, частота (тон) звука будет меняться, если источник звука будет двигаться – к нам или от нас! Если поезд на большой скорости проносится мимо станции, тон его свистка (или гудка) будет казаться наблюдателю, стоящему на перроне, выше, пока поезд приближается, и ниже, когда поезд, проехав мимо станции, начнет удаляться. Читатели, которые пользуются электричками, наверное, вспомнят, что неоднократно сталкивались с этим эффектом: тон звука свистка встречной электрички мгновенно меняется (становится ниже), как только ее головной вагон проносится мимо нас.

Существует легенда о том, что в 1845 году для проверки эффекта Доплера был проведен грандиозный эксперимент с движущимся паровозом, тянувшим за собой платформу с музыкантами. Оркестр играл на духовых инструментах. Вдоль пути следования размещались другие музыканты (люди с музыкальным слухом!), которые должны были сравнить звуки, доносящиеся с движущейся платформы, со звуками, которые издавали их собственные инструменты. Тон, несомненно, изменялся! Предсказания Доплера блестяще подтвердились.

Но какое отношение эти опыты имеют к Солнцу?

Дело в том, что французский физик Арман Ипполит Физо (1819–1896) убедительно показал, что эффект Доплера должен проявляться в изменении частоты не только звуковых колебаний, но и частоты любых типов волн, испускаемых неким источником! Это означало, что должна меняться и частота световых волн. Поскольку частота – это величина, обратная уже известной нам характеристике излучения, которая называется длиной волны, – вследствие действия эффекта Доплера длина волны солнечного излучения также должна изменяться в зависимости от того, к нам или от нас движется излучающее электромагнитные волны вещество Солнца.

На первый взгляд, обнаружить такое изменение невозможно. Ведь Солнце излучает, как было сказано выше, на всех длинах волн! И это значит, что если длина какой-то волны изменится, она превратится в длину другой волны, которая тоже испускается светилом, а в целом ничего не изменится – весь непрерывный спектр чуть сдвинется, но заметить это мы не сможем. Но дело в том, что на фоне непрерывного спектра Солнца есть особые метки – фраунгоферовы линии. Согласно расчетам Доплера, эти линии должны сместиться в сторону более коротких волн (к «синему» концу спектра), если источник движется к нам, и в сторону более длинных волн («красному» концу спектра), если источник излучения движется от нас. Эти смещения по сравнению с ситуацией, когда источник никуда не двигается, физики так и называют – синим или красным смещением.

Эти расчеты в принципе было нетрудно проверить. Солнце вращается довольно быстро. Это означает, что на восточном крае Солнца его вещество на экваторе движется к нам (с довольно приличной скоростью – около двух километров в секунду), а вещество на западном краю все время удаляется от нас с такой же скоростью, повинуясь вращению Солнца. Если мы получим спектр не всего Солнца, а только света, идущего от его восточного края, и сравним со спектром света, излучаемым западным краем, положения фраунгоферовых линий должны различаться: на востоке они должны сдвинуться в «синюю» сторону, на западе – в «красную».

Проблема заключалась только в том, что при известной (по видимому движению солнечных пятен) скорости вращения Солнца синее и красное смещение на краях должно было стать совсем незначительным. Линия с широким контуром могла сама оказаться гораздо шире ожидаемого смещения, и заметить такое смещение было бы сложно. Поэтому для контрольного эксперимента были отобраны слабые тонкие линии в оранжевой части спектра: две из них были солнечного происхождения, две – земного.

Эффект был обнаружен: на краях Солнца линии смещались в разные стороны относительно неподвижных теллурических (земных) линий. Высокоточные наблюдения эффекта Доплера были проведены в 1880-е годы разными исследователями. В результате удалось получить значения скорости вращения Солнца даже на высоких широтах – там, где пятен никогда не бывает, и скорость вращения поэтому оставалась там неизвестной…

Использование эффекта Доплера в спектральном анализе позволило проводить тонкие и точные измерения скорости излучающего вещества вдоль луча зрения – к Земле или от Земли. Понятно, что если мы наведем телескоп, оснащенный спектроскопом, на Солнце, в щель спектрального прибора попадет свет от довольно большого участка солнечной поверхности. На этом участке можно ожидать разные движения вещества – и вверх, и вниз, и это значит, что суммарные линии Фраунгофера, порождаемые этим участком, должны смещаться одновременно и в синюю, и в красную сторону. На практике это приводит к тому, что контур линии изменяется: линия становится более «толстой», широкой. Если же какой-то тип движения доминирует (например, вещество на Солнце преимущественно поднимается), тогда и контур линии окажется ассиметричным, расширенным в одну сторону (в указанном случае – в синюю).

Анализ изменений формы контура фраунгоферовых линий – особое искусство. Форма контура содержит в себе информацию о скоростях вещества – к нам или от нас, и квалифицированный спектроскопист в состоянии выудить эту информацию и сделать вывод, с какой скоростью на проанализированном участке солнечной поверхности и в какую сторону преимущественно движется вещество…

Помимо данных о скоростях солнечного вещества, спектральный анализ позволяет получить и информацию о его температуре.

Насколько нагрето солнечное вещество?

Два тысячелетия назад такой вопрос не ставился, поскольку само строгое понятие температуры отсутствовало (хотя, конечно, существовало на интуитивном уровне). Было неизвестно, какова температура пламени костра, льда, тела человека.

Физики всерьез занялись понятием теплоты только в XIX веке, хотя первые попытки измерить тепло, получаемое Землей от Солнца, были выполнены Исааком Ньютоном еще в 1680 году. Здесь великий физик допустил великую ошибку: он считал, что интенсивность излучения пропорциональна температуре источника излучения. Если температура повышается вдвое, то, по мысли Ньютона, и энергия излучения увеличится в два раза. Позже оказалось, что это грубо неверно.

В 1837 году Джон Гершель, проводя свои знаменитые астрономические наблюдения на мысе Доброй Надежды, соорудил первый актинометр. Идея прибора заключалась в том, чтобы измерить количество тепловой энергии, приходящей от Солнца, на единицу площади за единицу времени. Опыты начинались с выставления под солнечные лучи ясным днем кусочков льда. При этом замерялось время, за которое лед превращался в воду, и сравнивалось с аналогичным действием других источников тепла, где количество энергии, подводимой ко льду, было известно.

Позднее эксперименты стали более совершенными. Такие опыты и такие задачи легко решаются школьниками. Эксперименты с актинометром Гершеля на юге Африки и пиргелиометром Пулье во Франции дали сходные результаты, и постепенно становилось ясно, какая мощность излучения Солнца падает на единицу площади земной поверхности. Неопределенность оставалась в одном – какую часть падающего излучения по пути до актинометра поглощает атмосфера. Французский физик Клод Пулье (1791–1868) считал, что атмосфера поглощает половину падающей энергии, Гершель-младший исходил из своей оценки в одну треть. Пулье вычислил на основании своих опытов, какое количество солнечной энергии, падающей вертикально на один квадратный сантиметр, способно нагреть 1,7633 грамма воды на 1 градус за одну минуту (без учета поглощения атмосферой), и назвал эту величину солнечной постоянной. Поскольку количество тепла, нужное для нагрева грамма воды на градус за минуту, называется калорией, становится понятно, что солнечная постоянная по Пулье была оценена в 1,7633 калории в минуту на один квадратный сантиметр.

Это уже близко к истинному значению (об этом – в следующей главе), и полученная величина позволила оценить, сколько всего энергии излучается Солнцем в окружающее пространство за единицу времени. Получались чудовищно большие числа! Согласно Гершелю, ледяной столб диаметром 56 метров и длиной от Солнца до ближайшей к нам звезды (Проксимы Кентавра) мог быть превращен в воду за одну минуту – если, конечно, всю энергию Солнца сконцентрировать на этом воображаемом столбе. Становилось ясно, что излучательная способность Солнца гораздо выше, чем у обычного пламени…

Но какова же температура этого грандиозного источника энергии? Как установить соотношение между температурой излучателя и количеством излучаемой им энергии? Джон Гершель рассчитал, что «концентрация» излучаемой Солнцем энергии вблизи самого светила должна быть в 92 тысячи раз больше, чем у поверхности Земли. Должно ли это означать, что фотосфера должна быть в такое же количество раз жарче, чем тело, нагреваемое солнечными лучами на Земле?

Ученые, которые так считали, получали немыслимо высокие значения температуры фотосферы. Так, например, оценки шотландского исследователя Джона Ватерстона (1811–1883) давали более 7 миллионов градусов. Патер и знаменитый итальянский астроном Анжело Секки (1818–1878) в 1861 году определил температуру поверхности Солнца в 10 миллионов градусов. Эти оценки казались (и впоследствии оказались) фантастически завышенными.

Пьер Луи Дюлонг (1785–1838) и Алексис Терез Пти (1791–1820) еще в 1817 году выполнили ряд опытов, из которых следовало, что интенсивность излучения непропорциональна температуре излучателя! Это было правильное заключение, но конкретная зависимость, предложенная этими исследователями, оказалась также неверной. Дюлонг и Пти считали, что при росте температуры излучателя в арифметической прогрессии мощность излучения растет в прогрессии геометрической. В результате оценки температуры Солнца получились в тысячу раз меньше, чем у их предшественников: от 1461 до 1761 градуса (Пулье), или же 3000 градусов (французский физик Жюль Габриэль Виолль, 1841–1923).

Расхождения в оценках были слишком велики, доверять им было сложно. Премия, обещанная в 1876 году Парижской академией наук за лучшую работу по определению температуры Солнца, также мало что дала: премию получил упомянутый выше Виолль, но, как мы теперь знаем, он вдвое занизил температуру поверхности Солнца. Физические модели, применявшиеся при расчетах, были далеки от адекватных.

Ответ был, наконец, получен австрийским физиком Йозефом Стефаном (1835–1893) в 1879 году. Он экспериментально установил, что энергия, излучаемая нагретым телом, оказалась пропорциональной четвертой степени температуры! Это означало, что высокая мощность солнечного излучения вовсе не требует температуры в миллионы градусов. Еще один выдающийся австрийский физик Людвиг Больцман (1844–1906) в 1884 году вывел теоретически эту закономерность, получившую название закона Стефана – Больцмана.

Новые измерения потока солнечной энергии, падающего на Землю, и вычисления температуры поверхности Солнца на основе закона Стефана – Больцмана дали на рубеже XIX–XX веков значения, близкие к подтвержденным позднее другими методами – около 6000 градусов.

Независимый метод был также связан с изучением спектра Солнца. Если измерить, какое количество солнечной энергии приходит на Землю в разных диапазонах длин волн (например, определяя, сколько тепла приходит от Солнца, проникая сквозь красный, желтый и зеленый фильтры), выявляется еще одна любопытная закономерность: больше всего энергии попадает на Землю в диапазоне длин волн, соответствующих желтому цвету! Конечно, в потоке света от Солнца присутствуют и красные, и синие лучи, но больше всего желтых. Потому-то Солнце и кажется нам желтоватым. Потому-то все живые организмы на поверхности Земли, использующие солнечный свет для обеспечения своего существования, ориентируются на этот диапазон длин волн.

В 1893 году немецкий физик Вильгельм Вин (1864–1928) теоретически показал, что длина волны, на которую приходится максимум излучения в спектре, должна быть обратно пропорциональной температуре излучателя! Это означает, что при росте температуры излучателя максимум распределения энергии в спектре смещается в сторону коротких волн. Эта природная закономерность была названа законом смещения Вина. Но это означало, что по положению максимума распределения энергии в спектре Солнца можно вычислить температуру его поверхности! Расчеты снова дали величину, близкую к 6000 градусов, что совпадало с результатами на основе актинометрии – измерения общего потока солнечной энергии и применения закона Стефана – Больцмана. Работы Вина были удостоены Нобелевской премии по физике в 1911 году.

Итак, только к началу ХХ века люди узнали, какова же температура сияющей поверхности Солнца – фотосферы. Если учесть, что этому предшествовали тысячелетия догадок, поисков и исследований, это было, по сути, совсем недавно!

Лекция пятая

Солнце, излучающее свет

Мне все открыто в этом мире —

И ночи тень, и солнца свет,

И в торжествующем эфире

Мерцанье ласковых планет.

Николай Гумилев

Солнце, наверное, нужно, чтобы греть и светить.

Саша Копылова, 6 лет

Колуном дрова мы колем,

Выбиваемся из сил.

Зееман магнитным полем

Кучу линий расщепил.

Николай Ланкевич

Воистину, спектры Солнца оказались неисчерпаемыми кладезями информации. Со временем стало ясно, что на форму контуров фраунгоферовых линий оказывает влияние не только относительное число атомов данного типа и не только скорости их движения вдоль луча зрения. Если источник излучения погружен в магнитное поле, контуры линий меняются! И это означает, что спектральный анализ может позволить сделать вывод о напряженности магнитного поля, повлиявшего на спектр…

Открытие было сделано в 1896 году выдающимся нидерландским физиком Питером Зееманом (1865–1943), удостоенным за него только что учрежденной Нобелевской премии по физике 1902 года. Зееман обнаружил, что спектральные линии под воздействием магнитного поля расщепляются. Речь шла о линиях, создаваемых земными источниками света. Эти источники помещались в довольно сильные магнитные поля. При этом линии расщеплялись – превращались в две симметрично расположенные относительно первоначального положения линии. Вместо одной линии в результате возникал так называемый триплет: он обычно состоит из одного несмещаемого компонента и двух симметрично смещенных с каждой стороны. Явление получило название эффект Зеемана.

Несмещаемый компонент принято обозначать греческой буквой π (пи) – от немецкого слова parallel («параллельный»). Π-компонент виден только в том случае, если наблюдения проводятся в направлении, перпендикулярном магнитному полю. Излучение этого компонента поляризовано вдоль поля.

Смещенные компоненты обозначаются греческой буквой σ (сигма) – σ_1 и σ_2. Наблюдения этих компонентов в перпендикулярном магнитному полю направлении показывают, что σ-компоненты линейно поляризованы, если смотреть в перпендикулярном полю направлении. Отсюда и название (σ – от нем. senkrecht, т. е. «перпендикулярный»).

Рис. 12. Иллюстрация расщепления магниточувствительной линии поглощения магнитным полем солнечного пятна. Вверху – линии в невозмущенной фотосфере, внизу – линии в солнечном пятне

Замечательно то, что величина смещения σ-компонентов относительно невозмущенной линии пропорциональна напряженности магнитного поля! Чем сильнее поле, тем сильнее расходятся σ-компоненты. Коэффициент пропорциональности (так называемый фактор Ланде) оказывается различным для разных линий и зависит от структуры типа атомов, которые порождают данную фраунгоферову линию.

Заметить зеемановское расщепление в линиях солнечного спектра нелегко. Общее магнитное поле Солнца, как мы знаем сегодня, незначительно. Если «запустить» в спектроскоп солнечный свет от яркой поверхности светила, магнитное расщепление фраунгоферовых линий будет ничтожным. Но в солнечных пятнах – самых «интересных» местах на Солнце – расщепление оказалось достаточно заметным!

Открытие магнитных полей на Солнце – пожалуй, одно из самых значительных на всю историю изучения светила. Ниже мы увидим, что именно магнитные поля ответственны за невероятно сложные физические процессы на Солнце, в которых исследователи разбираются вот уже целый век. Честь открытия магнитных полей на дневном светиле принадлежит выдающемуся американскому астрофизику Джорджу Эллери Хэйлу (1868–1938).

Хэйл родился в Чикаго, окончил Массачусетский технологический институт. Интерес к астрономии у него проявился еще в детстве. Его отец поддерживал этот интерес, причем даже в то время, когда сын был уже вполне взрослым: Хэйл-старший финансировал небольшую частную обсерваторию в Кинвуде (близ Чикаго). Окончив институт, Хэйл-младший приступил к профессиональным наблюдениям Солнца на этой обсерватории. Здесь он построил прибор, который получил название спектрогелиограф. Принцип работы прибора заключается в следующем: если последовательно наводить телескоп, оснащенный спектроскопом, на разные участки поверхности Солнца, можно построить изображение Солнца в свете какой-нибудь одной выбранной линии. Изображение фотографируется.

Впервые человек увидел Солнце не в белом свете, а в узком диапазоне одной спектральной линии (монохроматическом свете)! Оказалось, что вид солнечного диска в свете одной линии (например, линии водорода Н-альфа) существенно отличается: незаметные в белом свете детали становятся чрезвычайно контрастными и выпуклыми… Хэйлу удалось получить более трех тысяч фотографий Солнца (спектрогелиограмм) с помощью его спектрогелиографа.

Хэйл обнаружил, что контуры многих линий сильно меняются, если телескоп направлен не на яркую фотосферу Солнца, а на солнечные пятна. Но разрешающая сила его прибора была невелика, и Хэйл задумал построить специальную обсерваторию для солнечных исследований и оснастить ее более совершенной техникой.

Зимой 1903 года Хэйл принял решение о строительстве обсерватории в Южной Калифорнии. Недавно созданный в Вашингтоне Фонд Карнеги пошел навстречу астрофизику, выделив финансирование для его проекта. В течение двух лет – в 1904 и 1905 годах – на гору Маунт-Вилсон был поднят горизонтальный солнечный телескоп (построенный, кстати, на пожертвования некоей мисс Элен Сноу). Так уж вышло, что дерзкие проекты Джорджа Хэйла практически всегда находили спонсоров. Но нет сомнений, что это были не просто поразительное везение и случайная удача (всем бы так!), а результат целенаправленных усилий самого мистера Хэйла, который был не только талантливым ученым, но и великолепным менеджером.

Тяжелое оборудование возили в гору на мулах. Наконец, на юго-восточном склоне 1700-метровой горы телескоп, оснащенный спектрографом, был установлен и введен в строй. Хэйл начал наблюдать и вскоре сделал два выдающихся открытия.

Во-первых, исследуя фраунгоферовы линии солнечных пятен, ученый предположил, что в темных пятнах температура меньше, чем в окружающей их сияющей фотосфере. Чтобы проверить это, Хэйл создал специальную лабораторию, где проводилось экспериментальное изучение влияния температуры на интенсивность спектральных линий. Был открыт ряд закономерностей, которые не оставляли сомнений: пятна, безусловно, «холоднее» окружающего фона!

Во-вторых, Хэйл заметил, что при наблюдениях со спектрогелиографом в свете линии водорода Н-альфа видна окружающая крупные солнечные пятна вихревая структура, которая простирается далеко от них. Эта структура незаметна при наблюдениях в белом свете. Хэйл сообразил, что наблюдаемая картина напоминает вид металлических опилок, помещенных в магнитное поле. Он предположил, что пятна являются местами, где на Солнце находятся сильные магнитные поля. Астрофизик решил проверить, нет ли в пятнах зеемановского расщепления спектральных линий.

Хэйлу пришлось подождать, пока на Солнце появится крупное пятно. К тому времени у ученого был в распоряжении новый замечательный прибор – в 1907 году на обсерватории Маунт-Вилсон под его руководством был сооружен 18-метровый башенный солнечный телескоп с большим спектрографом. Спектрограф давал хорошее спектральное разрешение: масштаб изображения спектра был достаточно велик, чтобы можно было детально исследовать форму контуров спектральных линий – линии были «растянуты» вдоль спектра. Специальная поляризационная оптика, установленная перед щелью спектрографа, позволяла определить, поляризован ли свет в спектральных линиях, и если да, то в каком направлении.

25 июня 1908 года Джордж Хэйл нашел экспериментальное подтверждение своей гипотезе. Спектральные линии, наблюдавшиеся в свете крупного солнечного пятна, расщепились, как и предсказывал эффект Зеемана, и оказались поляризованными – в точности так, как это и должно было случиться при наличии сильного магнитного поля в солнечном пятне!

Открытие было сделано. Пятна оказались местами, где на Солнце развивались мощные магнитные поля. Но для подробных исследований возможностей башенного телескопа, дававшего 17-сантиметровое изображение диска Солнца, не хватало. Блестящие способности организатора, присущие Хэйлу, проявились в очередной раз: Фонд Карнеги снова выделил средства!

В 1912 году на горе Маунт-Вилсон был введен в строй фантастический по тем временам инструмент: 45-метровый башенный солнечный телескоп. В комплект этого гигантского инструмента был введен новый большой спектрограф с фокусным расстоянием 22,5 м (предыдущий спектрограф имел 5,5-метровый фокус). Новая техника позволяла различать подробности формы контуров спектральных линий, совершенно недоступные в прошлом! Хэйлу удалось выполнить впечатляющий цикл исследований солнечного магнетизма, установить ряд важных закономерностей, накопить большую статистику.

Как писали австралийские гелиофизики Р. Брэй и Р. Лоухед, период с 1905 про 1930 год в солнечной физике можно назвать эрой Маунт-Вилсон: именно здесь был сделан настоящий прорыв в понимании того, что же такое Солнце и каковы физические условия на нашем светиле.

Рис. 13. Солнечные пятна – области сильных магнитных полей

Итак, вторая половина XIX – начало XX века обеспечили гигантский скачок в процессе накопления наших знаний о Солнце и прежде всего – на основе спектрального анализа. Как уже отмечалось выше, оказалось, что спектры Солнца несут в себе огромный объем информации о нашем светиле. Распределение энергии в спектре, равно как и прямые измерения интенсивности приходящих от Солнца лучей, дали возможность определить температуру фотосферы. Стало очевидно, что этот слой может быть только газообразным. Исследование фраунгоферовых линий в спектре светила позволило определить не только химический состав излучающего фотосферного газа, но и лучевые (вдоль луча зрения) скорости излучающего газа в той области, на которую наведена щель спектрографа. Анализ формы контура спектральных линий, обнаружение эффекта расщепления позволили сделать вывод о присутствии на Солнце мощных магнитных полей внутри солнечных пятен.

Еще одно фундаментальное открытие, сделанное в 1913 году немецким физиком Иоганном Штарком (1874–1957), позволило обнаружить, что линии расщепляются под влиянием не только магнитного, но и электрического поля (Нобелевская премия 1919 года). Позднее оказалось, что эффект Штарка наблюдается и на Солнце, преимущественно в сильных солнечных вспышках.

Не лишним будет повторить: спектральный анализ дает массу данных о физических условиях на Солнце. Спектроскопист должен учитывать, что контур линии, как правило, несет в себе вклад разных физических факторов: могут одновременно проявляться и эффект Доплера, и эффект Зеемана, причем в большинстве случаев происходит наложение вкладов от разных структур на Солнце на разных высотах. Это означает, что исключать один из эффектов можно, переходя к другим линиям (разные линии проявляют разную чувствительность к влиянию разных факторов) или к другим участкам солнечной поверхности. Постановка наблюдательного эксперимента и его последующая интерпретация – это «высший пилотаж» в солнечной астрофизике, требующий высокого уровня профессионализма и физической интуиции. Это очень трудная часть гелиофизики, но здесь велика и отдача…

Появление множества новых данных о физических условиях на Солнце дало возможность обоснованно рассуждать о природе светила. Достижения физики (в частности, термодинамики) во второй половине XIX века показали, что идея Гершеля-старшего (холодное, темное Солнце и ярко излучающий облачный слой фотосферы) невозможна. Даже если бы излучающий слой существовал (его фантастическая природа выглядела все более неправдоподобной по мере развития физики), Солнце внутри не могло бы оставаться холодным – оно бы стремительно прогрелось до таких же температур. Напомним, что идея холодного Солнца была основана на простом желании населить солнечную поверхность живыми существами, а также на идее аналогии: все небесные тела хотелось уподобить Земле. Природа оказалась более разнообразной. Устройство звезды по имени Солнце и планет оказалось существенно различным.

Становилось ясно, каким Солнце не может быть.

Но какова же все-таки его природа?

Вопрос о том, что же все-таки такое Солнце, неразрывно связан с вопросом об источниках его энергии. Прямые (пусть первоначально и неточные) измерения потока солнечной энергии, падающего на Землю, показали, что энерговыделение Солнца чудовищно велико. Никакое горение не может дать такую величину. Что заставляет светило ежесекундно извергать гигантские потоки энергии?

С идеями было плоховато (не рассматривать же всерьез идею с горящим углем!..). Анализируя выдвигавшиеся в прошлом идеи, будем следовать обзору известного российского астронома, эрудита и специалиста по истории астрономии Виталия Александровича Бронштэна (1918–2004), опубликованному в журнале «Звездочет» в 1997 году. Более подробно об этом В. А. Бронштэн писал в книге «Гипотезы о звездах и Вселенной», опубликованной издательством «Наука» в 1974 году.

Итак, судя по всему, первая серьезная попытка научно обосновать происхождение солнечной энергии принадлежала английскому физику Юлиусу Роберту Майеру (1814–1878), врачу по образованию. В 1840 году он пришел к идее взаимного превращения механической работы и теплоту, что позднее позволило ему впервые сформулировать закон сохранения энергии. Приложение его концепции к Солнцу потребовало искать источники огромной энергии светила, и Майер в 1849 году нашел их за пределами Солнца! Майер предположил, что Солнце непрерывно бомбардируется метеоритами, при этом кинетическая энергия падающих метеоритов превращается в тепло. Собственно, это, согласно гипотезе, и разогревает Солнце, заставляя его светиться.

Идея Майера, на самом деле, абсурдной не является. Сравнительно недавно (по тем временам) было признано, что камни действительно могут падать с неба. В те годы еще продолжалась знаменитая «столетняя война» между учеными, объяснявшими многочисленные кратеры на Луне падениями крупных метеоритов, и учеными, которые связывали кратеры с лунным вулканизмом. Все больше доводов приводилось в пользу ударной гипотезы. Огромные воронки (кратеры), достигавшие в диаметре многих десятков (иногда – сотен!) километров, свидетельствовали о том, что в космосе бывают катастрофические столкновения. Большое число кратеров указывало на то, что на Луну могла быть привнесена этими ударами значительная энергия.

Становилось ясно, что, если уж вся Луна покрыта следами ударов, то Земля тоже должна быть вся в шрамах, – даже в большей степени (Земля как мишень больше Луны, и притяжение у нее сильнее). Если сегодня вся поверхность Земли не покрыта кратерами, то только потому, что активные процессы стирают их с лица нашей планеты: это вода, ветер, землетрясения – факторы, которых нет на Луне (лунотрясения, как показали прямые измерения американских сейсмометров, в тысячу раз слабее землетрясений). И даже несмотря на это на поверхности Земли все-таки обнаружены десятки так называемых астроблем (в переводе с греческого «звездных ран») – древних следов столкновений с астероидами.

Солнце, как уже было известно во времена Майера, вместило в себя более 99,9 % всей массы Солнечной системы. Это самый крупный объект с диаметром почти 1 400 000 километров. Понятно, что шансы упасть на Солнце у любого небесного тела гораздо больше, чем столкнуться с любой планетой. Более мощное поле тяготения Солнца должно разгонять до огромных скоростей падающие тела, и сила ударов также должна быть значительной. Отсюда, в рамках этой логики, и тепло нашего светила…

Однако в науке любые рассуждения должны подкрепляться доказательствами. В данном случае несложно, зная мощность излучения (или, как говорят астрофизики, светимость) Солнца, прикинуть, сколько же метеоритов должно на него падать, чтобы обеспечить необходимый приток энергии.

Оценки, сделанные В. А. Бронштэном, таковы. Нужно, чтобы на Солнце каждую секунду падали два триллиона тонн метеоритного вещества! В год набирается примерно одна сотая масса Земли. Сегодня мы знаем, что Солнце существует около пяти миллиардов лет. За это время на светило должно было непрерывным потоком высыпаться вещество, масса которого в 150 раз больше массы самого Солнца! Кстати говоря, из этого потока и на Землю бы что-то попадало, и тогда на нашу планету из космоса обрушивалось бы примерно в миллион раз больше, чем мы наблюдаем на практике. Идея приводит к явным нестыковкам.

Возможно, для спасения своей гипотезы Майер и предложил (впервые!) идею о том, что масса Солнца со временем уменьшается, поскольку солнечные излучения уносят с собой часть массы светила. Это действительно так: Солнце является источником так называемого солнечного ветра – непрерывного потока частиц (ядер атомов водорода и гелия). Кроме того, на Солнце иногда происходят импульсные события – выбросы плазмы, когда в межпланетное пространство выбрасываются многие миллиарды тонн солнечного вещества. Майер ничего не знал ни о солнечном ветре, ни о выбросах (его гипотеза оказалась верным прогнозом). Но организовать баланс за счет этого фактора все равно не удается: часть массы действительно уносится, но она на много порядков величины меньше и гипотетического притока метеоритов, требуемого для обеспечения энергетического выхода Солнца, и массы самого Солнца.

В дальнейшем мы узнаем, что благодаря так называемым термоядерным реакциям масса Солнца ежесекундно уменьшается примерно на четыре миллиона тонн. Но это тоже мизерная величина по сравнению с огромной массой светила. Естественно, об этом эффекте Майер тоже не мог даже догадываться.

Существовал еще один мощный довод против гипотезы Майера: потемнение солнечного диска к краю. Этот факт, отмечавшийся наблюдателями еще со времен Галилея и Шейнера, можно объяснить только тем, что энергия Солнца поступает из его недр. Разогрев метеоритами, несомненно, должен был приводить к разогреву снаружи.

Заметим, что согласно современной теории, гипотеза Майера объясняет высокую светимость Солнца очень давно, более 4,5 миллиардов лет тому назад. Тогда в центре масс огромного газопылевого облака под воздействием силы тяготения формировался обширный сгусток вещества – тех же самых газа и пыли. Этот сгусток притягивал к себе окружающее вещество, и постоянный поток газа и пыли, ускоряясь, обрушивался на него. Кинетическая энергия падающего потока превращалась в тепло – центральный сгусток быстро нагревался и начал светиться. Расчеты показывают, что светимость протосолнца была достаточно высокой, и фактор падения вещества на него (астрофизики такое падение под воздействием гравитации называют аккрецией) вполне объясняет, почему молодое Солнце ярко светилось. Со временем, когда падение вещества закончилось (бóльшая часть того, что могло упасть на Солнце, уже упала), фактор аккреции должен был уменьшиться и в конечном итоге исчезнуть. Подобные процессы мы и сейчас наблюдаем в молодых газопылевых дисках, где происходит на наших глазах формирование новых звезд. Но светимость зрелых звезд, на которые уже ничего не падает, объяснить гипотезой Майера не получается.

В 1855 году появилась новая гипотеза, с которой выступил немецкий естествоиспытатель Герман Людвиг Гельмгольц (1821–1894). Обратив внимание на тот факт, что тела разогреваются при сжатии, он предположил, что именно сжатие солнечного шара является источником его нагрева. В этом случае энергия действительно должна поступать из глубины. Причина сжатия была очевидна: это сила тяготения! Огромная масса вещества, собравшаяся в шар, под действием силы тяготения должна, согласно новой концепции, сжиматься, при этом сильно нагреваясь. Идея Гельмгольца о выделении тепла вследствие притяжения частиц, из которых состоит Солнце, известна в истории науки под названием контракционной гипотезы.

Гельмгольц, в отличие от Майера, подтвердил свою идею расчетами. Оказалось, что если Солнце будет сжиматься хотя бы на 60–70 метров в год, то будет выделяться тепло, которого вполне хватило бы на разогрев всей массы Солнца до нужных температур.

На первый взгляд, все сходилось! При огромном радиусе Солнца (696 тысяч километров) заметить эффект постепенного сжатия на какие-то мизерные десятки метров в год можно было, лишь наблюдая за светилом многие сотни (или даже тысячи) лет. Поэтому эффект незначительного уменьшения размеров Солнца со временем незаметен. Но для обеспечения одинаковой мощности излучения на протяжении всей жизни Солнца получалось, что возраст светила не может превышать 20 миллионов лет – иначе за миллионы лет Солнце сжалось бы до совсем небольших размеров.

В середине XIX века геологи и биологи уже понимали, что возраст нашей планеты гораздо больше! Изучение древних геологических пластов, исследование останков древних животных показывало, что Земля существует по крайней мере в 10–20 раз дольше. Сегодняшние оценки говорят как минимум о четырех с половиной миллиардах лет. Это возраст и нашей Земли, и всей Солнечной системы. Очевидно, что Солнце не может быть моложе своего окружения…

Тем не менее, идея о сжатии Солнца выглядела красивой, и начался интенсивный поиск выхода из положения. Английский геолог Джеймс Кролл, например, предложил идею, объединявшую в какой-то степени гипотезы Майера и Гельмгольца. Он предположил, что в далеком прошлом Солнце столкнулось с другой звездой, подобной себе, и тем самым получило дополнительный запас энергии, которого хватило надолго, а уже потом стало сжиматься. Потому-то Солнце и оказалось долгоживущей звездой.

Надо заметить, что если две звезды не входят в тесную двойную систему, вероятность столкновения двух звезд будет чрезвычайно низкой. Вообразите себе вероятность столкновения двух апельсинов, один из которых находится в Новосибирске, а другой – в Иркутске! Да и энергия столкновения при более детальных расчетах оказывается не такой уж большой, – хватит ее не на миллиарды лет.

Попытки спасти гипотезу с помощью различных усовершенствований модели (подобное не раз бывало в истории науки) позволили «дотянуть» возраст Солнца до 100 миллионов лет. Это на уровне знаний второй половины XIX века казалось вполне допустимой оценкой возраста и для Солнца, и для Солнечной системы в целом. Контракционная гипотеза стала новой основной концепцией (парадигмой) после опровергнутой фактами идеи темного Солнца, прикрытого яркой фотосферой. Новая парадигма воцарилась на несколько десятилетий.

Крах этой гипотезы связан с фундаментальным открытием, сделанным на исходе XIX века. В 1896 году французский физик, в будущем лауреат Нобелевской премии по физике Антуан Анри Беккерель (1852–1908) открыл явление радиоактивности. Оказалось, что некоторые типы химических элементов излучают коротковолновое электромагнитное излучение, а также так называемые корпускулы – микроскопические частицы, из которых построены атомы. Энергия этого излучения оказалась достаточно высокой.

Исследования феномена радиоактивности показали, что для каждого типа радиоактивных атомов можно определить так называемый период полураспада – период времени, за который распадается половина атомов данного образца. Если найти способ определения количества атомов радиоактивного урана и количества атомов конечного продукта его распада – свинца, то, зная период полураспада урана, можно определить, когда сформировался кусок породы, содержащей уран.

Открытие радиоактивности позволило с помощью «урановых часов» определить возраст Земли, который стал исчисляться миллиардами лет. Стало ясно, что контракционная гипотеза ошибочна: Солнце не могло быть младше планеты…

Однако огромный выход энергии при радиоактивном распаде привел ученых к новой гипотезе. А что, если именно радиоактивные вещества на Солнце разогревают недра светила? Эта идея была выдвинута выдающимся английским астрофизиком Джеймсом Хопвудом Джинсом (1877–1946) в начале XX века.

Как указал В. А. Бронштэн, доводы Джинса строились на основе формул расчета коэффициента поглощения рентгеновских лучей атомами водорода и других элементов, опубликованных в 1923 году нидерландским физиком Хендриком Энтони Крамерсом (1894–1952). Джинс считал, что в недрах Солнца температура настолько высока, что энергия должна излучаться в виде коротковолновых рентгеновских лучей (это недалеко от истины, с той оговоркой, что длина волны излучения в солнечном ядре еще меньше – это не рентгеновские, а гамма-лучи). Согласно формулам Крамерса, коэффициент поглощения входил в соотношение, которое связывало светимость Солнца и его массу. Но светимость Солнца и его масса известны. Это означало, что можно было рассчитать величину коэффициента поглощения по этим известным данным и попытаться понять, какому веществу оно соответствует.

Результаты выглядели сенсационно. Получалось, что в недрах Солнца находятся элементы тяжелее урана, а значит, они, несомненно, радиоактивны! Казалось, что гипотеза Джинса блестяще подтверждалась.

К сожалению, эта версия вскоре рухнула. Вся теория Джинса строилась на формулах Крамерса, хотя никто не знал, насколько они точны для тяжелых элементов. Худшие предположения оправдались: выяснилось, что формулы верны только для легких водородоподобных элементов, а в случае более тяжелых они не работают, давая большие ошибки.

Кроме того, возникало сомнение и по другому поводу. В земной коре радиоактивных элементов мало. Сопоставление химического состава Солнца и земной коры показало, что если исключить самые легкие элементы (водород и гелий), то относительное количество других химических элементов оказывается сходным: чего больше на Земле, того больше и на Солнце. Это означало, что следует ожидать незначительного количества радиоактивных элементов и на Солнце. Но при этом выхода энергии за счет распада атомов радиоактивных элементов явно не хватает, чтобы обеспечить гигантскую светимость Солнца!..

Впрочем, сделаем оговорку. До сих пор неизвестно, сколько радиоактивных элементов находится не в коре, а в ядре Земли…

В первой половине ХХ века возникла еще одна гипотеза о возможных источниках энергии Солнца. Заметим, что все новые гипотезы немедленно возникали, как только делалось какое-либо новое физическое открытие: его немедленно пытались привязать к нашей звезде….

В 1928 году английский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике 1933 года Поль Андриен Морис Дирак (1902–1984) открыл частицу, подобную электрону по массе, но с положительным электрическим зарядом (позитрон). Столкновение электрона и позитрона должно приводить к аннигиляции – полному превращению массы частиц в электромагнитное излучение. Стало ясно, что аннигиляция – это процесс, который может дать самый высокий выход энергии, который только можно вообразить: вся масса, согласно теории великого физика, еще одного нобелевского лауреата Альберта Эйнштейна (1879–1955), должна при этом превращаться в энергию излучения.

Американский астроном Генри Норрис Рассел (1877–1957) и английский астрофизик сэр Артур Стэнли Эддингтон (1882–1944) практически одновременно начали рассматривать гипотезу об аннигиляции частиц и античастиц в недрах звезд и, в частности, Солнца. В. А. Бронштэн заметил, что ученых в шутку называли соответственно отцом и отчимом гипотезы: Рассел опубликовал свою работу ровно на девять месяцев раньше Эддингтона…

Строгая теория аннигиляционного механизма выделения энергии в недрах Солнца так и не была создана. Трудно было объяснить, почему, например, все частицы и античастицы не проаннигилировали мгновенно и разом, сорвав газовую оболочку Солнца в момент чудовищного взрыва.

Это была последняя из опровергнутых гипотез, появившихся до того, пока не был наконец найден механизм энерговыделения в недрах Солнца, который считается правильным вот уже много десятилетий. Новая парадигма – термоядерный синтез элементов в ядре Солнца, о чем подробнее будет сказано ниже, – подтверждается множеством разнообразных следствий, которые предсказываются этой теорией. Основы указанной теории были разработаны в 1938–1939 годах выдающимся немецким физиком Хансом Бете (1906–2005). Начиная с 1933 года он работал в Англии, затем в США. Бете получил за свои достижения Нобелевскую премию по физике 1967 года.

Суть теории термоядерного синтеза в общих чертах изложена в следующей лекции, здесь же можно (предварительно) сказать о том, что под воздействием очень высокой температуры и очень высокого давления в недрах Солнца водород превращается в гелий. При этом масса продукта реакций (гелия) оказывается несколько меньше массы водорода, участвующего в реакциях. Оказывается, что часть «исчезающей» массы превращается в легкие частицы, которые называются нейтрино, а также в электромагнитное излучение. Это излучение и обеспечивает светимость Солнца.

Некоторые проблемы возникали в связи с несоответствием между предсказанными теорией и измеренными на практике потоками нейтрино, истекающих из недр Солнца. На рубеже XX и XXI веков проблема была решена: выяснилось, что нейтрино обладают небольшой массой (ранее считалось, что эти частицы относятся к разряду безмассовых). Кроме того, стало ясно, что нейтрино бывают нескольких типов, которые могут превращаться друг в друга (осциллировать). Учет этого обстоятельства ликвидировал последнее противоречие между теорией и экспериментом и привел к окончательной и бесповоротной победе ныне существующей парадигмы – теории термоядерного синтеза в недрах Солнца.

Хотя во всех учебниках и энциклопедиях уже давно излагалась в качестве правильной именно эта теория, некоторые сомнения оставались (хотя большинство ученых считали, что последнее противоречие будет каким-то образом разрешено). Так бывает не всегда, но так случилось на этот раз. Впрочем, мало кто в этом сомневался: слишком много доводов было в пользу этой теории. Одним из доводов была практика: по сути, на основе теории, разработанной командой Бете, создано страшное оружие – термоядерное. Тот факт, что испытания термоядерной (водородной) бомбы были успешно осуществлены еще в середине ХХ века, говорит о том, что теория верна…

Итак, только к концу ХХ века основные положения современной теории, описывающей природу Солнца, утвердились в сознании научного сообщества окончательно. Мы увидели, насколько сложным и длинным был путь к этой теории, насколько много ошибок, неверных гипотез и опровергнутых фактами догадок были на этом пути.

Мы видим, что помимо обычно изучаемой в школе истории политики, власти, социальных процессов, революций и войн, а также помимо истории художественной культуры (появления новых книг, пьес, скульптур, архитектурных сооружений, музыкальных произведений и кумиров от культуры) есть еще одна история – это история добычи знаний, развития идей, поисков истины, зачастую трудных и мучительных. Это история долгого рутинного труда и мгновенных озарений, история открытий и разочарований.

Эта история известна не так широко, и для многих людей она просто не существует. Но это означает, что о ней нужно говорить и писать, поскольку история поисков истины об окружающем мире, с точки зрения автора этой книги – главная составляющая истории человечества.

Эта история, конечно же, не закончена и не закончится, пока существует homo sapiens – человек разумный. И, если учесть гигантскую роль дневного светила в нашей жизни, можно утверждать, что важная часть этой истории – это история поисков ответа на вопрос, что же такое Солнце.

Только сегодня мы, наконец, осторожно рискуем сказать, что в общих чертах начинаем представлять себе, что же такое Солнце. Это, разумеется, при том, что множество деталей, закономерностей, эффектов, явлений и процессов на Солнце являются понятыми только в основном, а многие их особенности остаются загадкой и по сей день.

Что знают люди о Солнце на сегодняшний день?

Речь, конечно, идет о тех людях, которые хотят это знать. Для них и написана эта книга. Те же люди, которым это не интересно, конечно, читать подобные книги не будут.

Что касается тех, кому это интересно, – рассказ о сегодняшних наших представлениях о Солнце приведен в следующих лекциях.

Лекция шестая

Солнце: методика, теория, практика

Отмечали вы, схоласты,

Птолемея юбилей.

Но дошла к вам лет так за сто

Весть, что прав был Галилей.

Но плечами вы пожали:

Мол, отрекся Галилей!

Отмечать вы продолжали

Птолемея юбилей.

Леонид Мартынов

Фактов всегда хватает, а не хватает только фантазии!

Д. И. Блохинцев

Эта лекция существенно отличается от предыдущих. В первых пяти сделана попытка воспроизвести (конечно же, схематично!) долгий и сложный путь познания человеком природы нашего дневного светила. По поводу сущности Солнца на протяжении последних двух тысячелетий возникали самые разные гипотезы, и мы убедились в том, что все эти гипотезы были всегда тесно связаны с историей естествознания (говоря шире, с историей человечества). Другими словами, гипотезы появлялись каждая в свою историческую эпоху, и, за немногими исключениями, они действительно могли появиться только тогда, когда появились – и никак не раньше!

Эти гипотезы строились на основе имеющихся знаний об окружающем мире. Например, до тех пор, пока не появились телескопы и не были открыты солнечные пятна, ничего нельзя было сказать ни о скорости вращения Солнца вокруг своей оси, ни о дифференциальности этого вращения. Пока не появились спектроскопия и спектральный анализ, не было (и не могло быть!) никаких достоверных данных, которые помогли бы решить вопрос о химическом составе Солнца. Пока не возникла атомная теория строения вещества, не могла возникнуть и теория, способная адекватно объяснить источники гигантской энергии, излучаемой Солнцем.

Отсюда, вообще говоря, следуют серьезные выводы. Не исключено, что на нашем пути познания природы еще существуют вопросы, на которые мы пока не можем дать ответ, поскольку этому препятствует нехватка неких базовых знаний. Считать же, что нам известно уже все и мы в состоянии построить полную и законченную теорию чего угодно (включая Солнце), было бы слишком самонадеянно.

Век назад многие именно так и считали. Произносились фразы о том, что вся физика уже в основном построена и завершена, новых открытий не будет, поскольку все уже открыто, и теперь остается лишь уточнять некоторые подробности. И, как бы посмеиваясь над самоуверенностью ученых, природа подбросила нам серию ошеломляющих открытий, радикально изменивших наши взгляды на устройство мира.

Еще раз повторю: эти открытия не могли появиться раньше, чем появились. Они были сделаны только тогда, когда была подготовлена соответствующая база из экспериментальных данных, наблюдений, теоретических наработок, аппаратурных возможностей, психологической готовности исследователей воспринимать новые знания. И тогда был сделан грандиозный прорыв в естествознании. Он начался с открытия радиоактивности и был продолжен разработкой теории относительности, атомной теории, квантовой физики (заметим, что этот процесс продолжается и сегодня).

Самое главное, что базовые, основные на сегодня теории, описывающие мир, не умозрительны (не выдуманы, не взяты с потолка). Они прочно стоят на гигантском экспериментальном материале, на анализе результатов множества опытов и наблюдений и подтверждаются логически непротиворечивыми концепциями.

С тех пор в науке многое изменилось. За минувшие десятилетия был накоплен багаж новых научных фактов, недоступных раньше. Это означает, что в результате накопления новых данных и совершенствования технических возможностей исследователей события вековой давности вполне могут повториться и обеспечить новый прорыв к познанию еще более глубоких фундаментальных закономерностей, которые управляют Вселенной. Говорить сегодня (как и 100 лет назад), что все открытия уже сделаны, видимо, преждевременно. Новые грандиозные достижения последнего времени прямо на это указывают. Достаточно вспомнить обнаруженный сравнительно недавно факт ускоренного расширения Вселенной, позволяющий продвинуться в понимании понятия таинственной темной энергии, или же успехи теории суперструн, претендующей на описание глубинных свойств материи.

Наука, как показывает опыт человечества, развивается поступательно, по своим собственным внутренним законам. Это единственный метод познания мира, который позволяет познавать мир доказательно, проверяя себя на каждом шагу, сопоставляя научные прогнозы с результатами экспериментов и наблюдений. Другими словами, только наука несет с собой функцию обязательного и постоянного самоконтроля. Интуиция и озарения на это не способны.

Может ли наука предлагать неверные версии, неправильные гипотезы, ошибочные доводы? Безусловно, может, и вся многовековая история изучения Солнца, изложенная в первой главе, свидетельствует об этом. Но мощь и сила научного метода заключаются в том, что наука сама, без вмешательства со стороны, проверяет себя и, сверяясь с фактами, исправляет неверные предположения.

Повторим: на это способна только наука. Восточные учения, религии, ненаучные концепции на это не способны. Поэтому, даже если верная идея появится в результате озарения или интуиции, без проверки научным методом мы никогда не сможем быть уверенными, что идея действительно верна.

В былые времена на проверку и доказательства могли потребоваться столетия. Сегодня, при стремительном росте общего объема научных знаний и количества людей, участвующих в научных исследованиях, при безудержном наращивании возможностей научных приборов, все происходит гораздо быстрее. От появления гипотезы до ее проверки теперь проходит сравнительно немного времени, и за время жизни одного человека мы стали существенно продвигаться в познании мира. За несколько лет сегодня накапливается столько новой информации, сколько в прошлом требовало многих столетий напряженной работы, либо было в принципе невозможно.

В далеком прошлом, когда фактов, касающихся Солнца, было совсем мало, они могли объясняться сотнями самых различных гипотез. Чем больше становилось фактов в арсенале исследователей, тем меньше оставалось гипотез, которые могли бы соответствовать всей их совокупности одновременно. В итоге остается все меньше версий. В пределе ученые приходят к одной – правильной – теории.

Данные, полученные с помощью современных телескопов, которые работают уже не только на Земле, но и в космосе, позволили существенно продвинуться в понимании того, что же такое Солнце. Очень многое мы теперь знаем достоверно, и у нас есть уверенность, что новые наблюдения и проверки не зачеркнут положения существующих теорий, описывающих многое из того, что мы видим на Солнце.

Есть ли процессы и явления на Солнце, которые мы пока не изучили подробно и не можем объяснить окончательно? Безусловно, есть. Чтобы не повторять ошибок вековой давности, не будем утверждать, что мы знаем о Солнце все: специалистам по гелиофизике прекрасно известно, что это далеко не так. Во многих книгах, изданных уже в новом, третьем тысячелетии, честно об этом говорится: например, еще совсем недавно эксперименты показывали, что поток нейтрино от Солнца оказывался почему-то существенно меньше, чем предсказывала базовая теория. Это означало, что с теорией что-то неладно и что-то мы не учитывали. Было ясно, что теорию неизбежно придется менять – не полностью (очень многие прогнозы теории успешно подтверждались, и это означало, что она как минимум не совсем неверна), но, по крайней мере, в каких-то деталях, – возможно, существенных. Пока остается загадкой и феномен 160-минутных колебаний Солнца, о которых будет сказано ниже. Мы почти ничего не знаем об устройстве ядра Солнца, о долговременных ритмах нашего светила.

Однако не следует впадать и в другую крайность, считая, что мы не знаем достоверно ничего о нашем светиле. Люди, которые это утверждают, тоже есть: отвергая огромное количество доказанных экспериментами и наблюдениями фактов, они подчас выдвигают альтернативные теории, пытающиеся объяснить феномен Солнца иначе.

У этих альтернативных теорий, как правило, нет доказательной базы, и они противоречат принципу логичности, заложенному в научном методе: теория должна объяснять не только отдельные экспериментальные факты, а все известные факты. Если какие-то факты новая теория объяснить не может, то, по крайней мере, она не должна им противоречить. Подразумевается, что со временем все-таки удастся эти факты объяснить.

Обратимся к сегодняшним взглядам на Солнце и постараемся честно отметить, что мы знаем уже наверняка, а что еще предстоит изучать, чтобы понять и объяснить.

Здесь нам придется отказаться от использованного в первой главе исторического (хронологического) подхода и суммировать известное на сегодня. Задача восстановить, кто, что и когда узнал нового о Солнце в ХХ веке, практически неподъемна и потребовала бы громадной монографии, а не небольшой научно-популярной книги. Число гелиофизиков, как уже указывалось выше, непрерывно растет и насчитывает сегодня тысячи исследователей, работающих во всем мире. Выросло и число научных задач, которые в большинстве своем являются частными. Из множества научных статей, в которых излагаются результаты многочисленных частных исследований, слагается, как из элементов мозаики, грандиозная картина современной физики Солнца. Остаются не до конца решенными и некоторые стратегические, глобальные задачи физики Солнца – например, природы цикличности солнечной активности, о чем речь пойдет впереди, и некоторые другие.

И еще об одном важном моменте, прежде чем мы двинемся дальше. Исторический обзор исследований, проводившихся в предыдущие века, позволил, я надеюсь, упомянуть в основном все ключевые фигуры, участвовавшие в изучении Солнца. В ХХ веке к исследованиям Солнца подключились множество исследователей. Авторов статей и монографий, посвященных Солнцу, несколько тысяч! Кроме того, нельзя забывать оптиков, конструкторов, инженеров, техников, программистов, ракетчиков, создателей современной аппаратуры, устанавливаемой на космических аппаратах. Более 90 % всех исследователей Солнца за минувшие две тысячи лет – наши современники, которые продолжают работать и сегодня! Упомянуть их всех, подобно тому, как это делалось в предыдущей главе, в научно-популярной книге невозможно. Тем не менее, надо помнить, что каждый из них (подчеркиваю: каждый!) внес свой вклад в сокровищницу знаний о Солнце. Этот вклад, конечно же, различен, но он есть у всех солнечников.

Как быть? Здесь я счел необходимым указать хотя бы несколько ключевых имен. Это как если бы нужно было перечислить композиторов, внесших большой вклад в историю музыки. Мы бы, наверное, говорили в первую очередь о Моцарте, Бетховене, Чайковском, но ясно, насколько неполон этот перечень! Аналогично, говоря об истории изучения Солнца в ХХ веке, нужно обязательно упомянуть ряд выдающихся ученых, которые существенно изменили наши представления о дневном светиле. Это В. Бумба, Х. Д. и Х. Н. Бэбкоки, М. Вальдмайер, Г. Зирин, К. Кипенхойер, Е. Н. Паркер, Э. Прист, Д. М. Раст, Дж. О. Стенфло, П. А. Стеррок, Дж. Хэйл, З. Швестка, К. де Ягер. Это наши отечественные исследователи – И. С. Веселовский, Г. Б. Гельфрейх, М. Н. Гневышев, Ю. И. Витинский, В. М. Григорьев, В. Н. Карпинский, Э. В. Кононович, Г. В. Куклин, В. А. Крат, В. Д. Кузнецов, М. А. Лившиц, Э. Р. Мустель, В. Н. Обридко, С. Б. Пикельнер, А. А. Петрукович, А. Б. Северный, В. В. Соболев, Б. В. Сомов, В. Е. Степанов, А. В. Степанов, Б. П. Филиппов, И. С. Шкловский. Любой, кто в курсе дела, наверное, добавил бы к этому списку еще немало имен. Отдавая себе отчет в том, что список существенно неполон, будем иметь в виду, что излагаемые ниже концепции создавались очень и очень многими…

Итак, что же дали нам многолетние труды множества исследователей? Каким нам видится Солнце сегодня?

Известно, что Солнце – это огромный (по сравнению с Землей) раскаленный газовый шар. Нужно условиться, что же считать размерами Солнца: это все-таки не планета земной группы, где диаметр твердого каменного шара определяется однозначно. Разреженный газ Солнца простирается далеко вокруг него, и с теми, кто утверждает, что даже Земля погружена в атмосферу Солнца, трудно спорить. Тем не менее, мы наблюдаем на небе резко очерченный круг светила, который определяет его видимую поверхность!

Выяснилось, что разреженный газ, охватывающий Солнце, на определенной глубине становится непрозрачным, и наш взгляд не может проникнуть сквозь этот слой, внутрь светила. Этот ярко светящийся слой мы и воспринимаем как поверхность Солнца. Он называется фотосферой («сфера света»).

Заглянуть под фотосферу мы, как уже было сказано выше, не можем и только по некоторым косвенным данным можем судить о том, что происходит в недрах Солнца. Над фотосферой, конечно же, тоже есть газ, но он прозрачен для наших взоров и, если не применять специальных методов, практически незаметен. Поэтому все, что находится выше фотосферы, условились называть атмосферой Солнца, а все, что ниже – собственно самим Солнцем. Фотосферу традиционно относят к атмосфере (ее нижнему слою). Если считать размеры Солнца по фотосферному уровню, у нас получится огромная величина – 1392 тысячи километров, что в 109 раз превышает диаметр Земли.

Фотосферный слой, на протяжении которого газ становится непрозрачным, довольно тонок – всего 400 километров. По сравнению с диаметром светила, это очень маленькая величина. Потому-то край Солнца кажется нам столь резко очерченным: на таком небольшом расстоянии газ меняет свои свойства от прозрачного (на верхней кромке фотосферы) до абсолютно непрозрачного (на ее нижней, внутренней границе).

Чтобы еще раз ощутить грандиозность Солнца, можно дополнительно привести несколько чисел. Объем солнечного шара примерно в 1 300 000 раз превышает объем Земли. Масса Солнца – 1,99 × 10^30 кг, что в 330 тысяч раз больше массы нашей планеты. Нужно заметить, что масса Солнца составляет 99,9 % от массы всей Солнечной системы (суммарной массы всех планет, их спутников, карликовых планет, астероидов, комет, метеороидов и пыли, содержащихся в ее объеме). Другими словами, все, что находится в Солнечной системе, – сущая мелочь по сравнению с Солнцем (если, конечно, учитывать только массу).

Разделив всю массу Солнца на его объем, мы получим примерно 1,41 г/см^3. Это менее чем в полтора раза больше плотности воды и существенно меньше средней плотности Земли. Уже эта величина подсказывает, что внутреннее устройство Солнца заметно отличается от земного (впрочем, в этом мало кто сомневался и в прошлом).

Огромная масса светила обуславливает гигантское ускорение силы тяжести на поверхности Солнца (на уровне фотосферы) – 274 м/с^2. Это означает, что вес любого предмета вблизи фотосферы в 28 раз больше, чем его вес на поверхности Земли! Соответственно, чтобы улететь прочь из Солнечной системы, стартуя с фотосферы Солнца, понадобилась бы немыслимая скорость в 617,7 км/с. Напомним, что на сегодняшний день максимальная достигнутая человечеством скорость космического аппарата «Новые горизонты», отправленного к Плутону, составила всего 17 км/с относительно Земли.

Впрочем, параметры Солнца выглядят столь значительными лишь по сравнению с планетами. В мире звезд, которому принадлежит наше светило, оно вовсе не кажется таким уж большим. Скорее, Солнце является средней заурядной звездой, далеко не самой крупной и массивной, хотя и не самой маленькой.

Химический состав Солнца, по данным спектрального анализа, следующий. На 74 % (по массе) оно состоит из водорода. 24 % массы приходится на гелий. Эта наиболее вероятная величина определена по косвенным данным. На остальные элементы (а всего на Солнце отождествлены около 80 элементов таблицы Менделеева) приходится не более 2 % массы светила.

Солнце вращается вокруг своей оси в ту же сторону, что и все планеты вокруг него, сохраняя направление вращения древнего газопылевого облака, из вещества которого когда-то сформировались все объекты Солнечной системы. Как уже было указано в предыдущих лекциях, еще в начале телескопических наблюдений было обнаружено, что вращение Солнца дифференциально: угловая скорость вращения убывает от экватора светила к его полюсам. Так, точка на экваторе совершает полный оборот примерно за 25 суток, а точка вблизи полюса – за 30 суток. Поскольку Земля движется вокруг Солнца в том же направлении, земному наблюдателю кажется, что вращение светила осуществляется медленнее: относительно Земли (синодический период) точка на экваторе совершает полный оборот за 27 суток, а точка у полюса – за 32 дня.

Дифференциальность вращения – нередкое явление для космических тел, состоящих из газа. Нечто подобное мы наблюдаем и в атмосфере Юпитера. В настоящее время построены математические модели, которые дают в результате закономерное появление этого эффекта при вращении газообразного шара с конвекцией. Дифференциальность, или неоднородность, вращения Солнца приводит к появлению целого ряда чрезвычайно важных эффектов, о которых будет сказано ниже. Но понятно, что это явление сильно затрудняет задачу определения координат каких-либо явлений на поверхности Солнца (например, пятен). Не следует забывать, что то, что мы называем поверхностью Солнца, – это не твердая поверхность. Это внешняя поверхность слоя непрозрачного газа – что-то похожее на сплошной слой земных облаков при наблюдениях сверху.

Если каждой широте соответствует своя скорость вращения, это приводит к изменению конфигурации крупномасштабных образований на Солнце. Если бы такое наблюдалось на Земле, Петербург бы смещался к западу по отношению к Москве (он дальше от экватора!), зато Астрахань смещалась бы от Москвы на восток (она ближе к экватору!), в результате форма государственных границ непрерывно бы изменялась. На твердом шаре Земли это невозможно. На Солнце же нет ничего твердого: фотосфера – это слой бурлящего газа, и очень трудно привязаться к каким-то реперам на поверхности Солнца – долговременные реперы просто не существуют, и даже появляющиеся пятна могут дрейфовать в фотосфере. Поэтому была введена и используется гелиофизиками жестко вращающаяся система координат, названная в честь выдающегося исследователя Солнца, английского астронома-самоучки Ричарда Христофора Кэррингтона (1826–1875). Эта система вращается со средней скоростью, характерной для широт ±16 градусов. Кэррингтоновская система координат совершает один оборот за 25,38 суток относительно внешней системы координат. По отношению к движущейся Земле этот период составляет 27,28 суток.

Начальным гелиографическим меридианом считается тот, который 1 января 1854 года проходил в 0 часов по Гринвичскому времени через точку пересечения солнечного экватора с плоскостью земной орбиты. Поскольку за время своего существования солнечные пятна не успевают далеко сместиться в кэррингтоновской системе координат, эта система полезна: она дает указания, где на Солнце наблюдается то или иное явление.

Среднее расстояние от Солнца до Земли составляет 149,6 миллионов километров. Поскольку Земля движется не по окружности, а по слабо вытянутому эллипсу, мы оказываемся в разное время года то чуть ближе, то чуть дальше по отношению к Солнцу. В самую близкую к светилу точку земной орбиты (она называется перигелий орбиты) мы попадаем 4 января. В это время мы подлетаем к Солнцу на 147 миллионов километров. Спустя полгода, в начале июля, Земля оказывается дальше всего от Солнца (в афелии орбиты, примерно 152 миллиона километров). В результате видимый диаметр Солнца на небе немного меняется: нетрудно догадаться, что в начале года он самый большой (в максимуме 32 угловых минуты 35 угловых секунд), а в начале июля – самый маленький (31 минута 31 секунда). Простым глазом эти изменения заметить невозможно (амплитуда изменений видимого диаметра не превышает 3 %). Тем не менее, гелиофизики уверенно фиксируют эти вариации.

Еще одна важная величина, характеризующая Солнце, – это, конечно, мощность его излучения, или светимость. Систематические измерения потока электромагнитной энергии, поступающей от Солнца, ведутся уже более века. Точность этих измерений постепенно увеличивается, при этом все более корректно удается учесть ту часть энергии, которая поглощается и рассеивается земной атмосферой. Аппаратура, установленная на спутниках, позволяет непосредственно определять, сколько электромагнитной энергии падает за секунду на квадратный метр поверхности, перпендикулярной солнечным лучам. Измерения проводятся на расстоянии, равном среднему радиусу орбиты Земли – примерно 150 миллионам километров.

Получаемая величина называется солнечной постоянной. Как мы видим, ее определение отличается от первоначального, введенного в XIX веке, хотя близко к нему по сути. Солнечная постоянная равна 1366 ± 4 ватта на квадратный метр. Современная погрешность измерений – не более 0,3 %.

Теперь мы уже знаем из прямых измерений, что до поверхности Земли доходит примерно 800–900 ватт солнечной энергии на квадратный метр. Остальное частично отражается обратно в космос от атмосферных образований (облаков), частично рассеивается и поглощается в атмосфере.

Зная, сколько энергии падает на квадратный метр за секунду вблизи Земли, нетрудно вычислить, сколько всего энергии расходится за секунду от Солнца во все стороны (определить общую светимость). Она оказывается чудовищно большой: примерно 3,84 × 10^26 ватт! Каждый квадратный метр огромной поверхности Солнца излучает 63,1 миллионов ватт электромагнитной энергии!

Чтобы наглядно представить себе мощность солнечного энерговыделения, можно вспомнить следующий пример, предложенный в свое время известным советским астрономом и популяризатором астрономии Борисом Александровичем Воронцовым-Вельяминовым (1904–1994). Ледяной мост в виде длинного цилиндра диаметром три километра, проброшенный от Солнца до Земли, за секунду растаял бы, а через восемь секунд испарился бы, если бы всю мощность солнечного излучения удалось сконцентрировать на нем.

Вопрос, насколько стабильно светит Солнце, оказывается важным не только с точки зрения фундаментальной науки. Понятно, что температура на Земле, параметры климата и многие другие характеристики нашей планеты напрямую зависят от того, сколько энергии в виде света и тепла падает на поверхность нашей планеты. Другими словами, действительно ли постоянна солнечная постоянная?

С одной стороны, понятно, что если солнечная постоянная и менялась в прошлом, то вряд ли существенно, иначе Земля бы претерпевала значительные скачки температуры с тяжелыми последствиями – от замерзания водоемов и гибели теплолюбивой части биосферы до массового таяния снегов, повышения уровня океана, усиленного парообразования и формирования мощной, влажной и раскаленной атмосферы.

Тем не менее, есть явные свидетельства, что климат в прошлом ощутимо менялся. Во времена динозавров (65–100 миллионов лет назад), на всей Земле было гораздо теплее (считается, что на 15–20 градусов!), и неопровержимые свидетельства этому находят геологи и палеонтологи. Хорошо известны и оледенения, когда граница вечных снегов опускалась на низкие широты. Причины этих изменений достоверно неизвестны, но вариации солнечной постоянной (изменения режима солнечного энерговыделения), безусловно, фигурируют в списке возможных причин.

Непрерывные измерения солнечной постоянной в течение последних десятилетий показали, что она слабо меняется с характерным временем порядка нескольких суток. Выяснилось, что небольшие (от +0,2 до –0,4 %) вариации солнечной постоянной связаны с появлением и исчезновением на Солнце пятен и факелов. В то же время обнаружены и более долговременные циклические изменения (с амплитудой порядка 0,1 %), с периодичностью около 11 лет. Таким образом, Солнце можно отнести к разряду слабопеременных звезд, светимость которых слабо и периодически меняется.

Есть ли у Солнца более длительные периоды изменения солнечной постоянной? Если есть, то каков размах этих изменений? Прямые измерения пока осуществляются слишком непродолжительное время, чтобы достоверно обнаружить долговременные вариации солнечной постоянной. Косвенные же данные говорят, что такие циклы, судя по всему, есть: порядка 100 или даже 2400 лет. Амплитуда этих изменений, похоже, невелика, и для выявления таких периодов требуются сложные и тонкие математические процедуры обработки долговременных рядов различных данных.

Таким образом, в первом приближении Солнце можно считать стабильным (с точностью до 0,5 %) источником энергии. С этой точки зрения термин «солнечная постоянная» во многом адекватно отражает собственный смысл. Разбираться же в тонких деталях сложного механизма незначительных колебаний светимости звезды еще предстоит.

При огромном энерговыделении Солнца его температура должна быть чрезвычайно высока. Спектральный анализ предлагает сегодня целый набор независимых (что очень важно!) способов определения температуры поверхности Солнца. Здесь могут быть использованы, например, упоминавшийся выше закон смещения Вина либо закон Стефана – Больцмана. Есть и другие способы. Все они дают немного различающиеся значения от 4200 до 5800 градусов.

Расчеты показывают, что температура Солнца должна увеличиваться по мере погружения в его недра под фотосферу. Так называемая стандартная модель внутреннего строения Солнца может быть проверена по следствиям, которые ею предсказываются для наблюдаемого фотосферного уровня. Эта модель дает с трудом представляемую величину около 15,7 миллионов градусов в центре солнечного шара! Ясно, что даже при значительно меньших температурах атомы вещества уже не могут существовать: они ионизуются (электроны, двигающиеся вокруг ядер атомов, отрываются). Таким образом, Солнце состоит не из атомов, а из гигантского количества атомных ядер, потерявших свои внешние электроны. Электроны там, конечно, тоже присутствуют, но они свободно перемещаются между ядрами. Это значит, правильнее сказать, что Солнце состоит не из газа, а из плазмы.

Но почему Солнце горячее? Изначально огромный газовый шар нагрелся из-за аккреции падающего на него вещества. Но с тех пор прошло около пяти миллиардов лет, и если бы в центре светила не «работала» таинственная «печка», скорее всего, оно бы уже остыло, и светимость нашей звезды постепенно уменьшалась бы. Тем не менее, согласно всем имеющимся данным, светимость Солнца за указанное время увеличилась примерно на треть – «печка» медленно, но верно «раскочегаривается». Что же это за «печка»? Кто подбрасывает в нее дровишки?

Как мы уже упоминали, вопрос об источниках энергии Солнца был поставлен давно. На роль «дров» для солнечной топки последовательно выдвигались трение об эфир, энергия от ударов падающих метеоритов, гипотетический солнечный уголь, гравитационное сжатие Солнца, а также аннигиляция частиц и античастиц.

В середине ХХ века пулковский астроном Николай Александрович Козырев предлагал в качестве топлива даже потоки времени, которые в недрах звезд (включая Солнце) трансформировались, согласно его идее, в энергию (электромагнитное излучение). Все указанные концепции были либо опровергнуты, либо (в последнем случае) остались недоказанными.

В предыдущей лекции было сказано, что исследования в области атомной физики позволили выдвинуть версию термоядерного синтеза в недрах Солнца. Рассмотрим эту теорию подробнее.

Чтобы понять смысл этой концепции, вспомним, как устроены атомы.

Самое простое и распространенное вещество в нашей Вселенной – это водород. Атом водорода устроен предельно просто. Его ядро – это элементарная частица с единичным положительным электрическим зарядом, которая называется протоном. Атом – электрически нейтральное образование. Вокруг протона движется частица, которая примерно в 1840 раз меньше протона по массе. Эта частица обладает единичным отрицательным электрическим зарядом. Это электрон. Положительный заряд протона нейтрализуется отрицательным зарядом электрона.

Второй по распространенности во Вселенной химический элемент – это гелий. Ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух электрически нейтральных частиц – нейтронов. Масса нейтрона чуть меньше массы протона и в 1838 раз больше массы электрона. Вокруг ядра атома гелия витают уже два электрона.

Другие типы атомов устроены сходным образом. У каждого очередного типа атомов (химического элемента) в ядре все больше протонов и нейтронов, а число электронов, обращающихся вокруг ядра, равно числу протонов.

Мечта средневековых алхимиков заключалась в том, чтобы научиться получать из одного химического элемента другой (причем не какой-нибудь, а, разумеется, золото!). Однако все попытки достичь желаемого так и не увенчались успехом. Сегодня мы понимаем, что для того чтобы из одного типа атомов получить другой – например, из водорода получить гелий, – нужно попытаться объединить между собой ядра атомов водорода.

В обычных условиях это невозможно. Протоны положительно заряжены, а одинаковые заряды, как мы помним из курса физики средней школы, отталкиваются. При этом отталкиваются они с гигантской силой: сила электрического взаимодействия, или сила Кулона, оказалась чрезвычайно мощной! Она и сводила на нет все усилия алхимиков.

Но как же тогда два протона в ядре атома гелия уживаются между собой, находясь совсем рядом? Что удерживает от разлета взаимно отталкивающиеся протоны в ядрах еще более тяжелых атомов (того же золота), где их (протонов) может оказаться несколько десятков?

Выяснилось, что в природе существует так называемое сильное ядерное взаимодействие – сила, работающая внутри ядер атомов. Она примерно в 100 раз сильнее кулоновского отталкивания. Именно сильное ядерное взаимодействие прижимает протоны друг к другу внутри ядер атомов, «склеивает» их между собой. Но это взаимодействие обладает удивительным свойством: оно работает только на очень коротких расстояниях – порядка размеров атомного ядра! Достаточно протонам чуть разойтись между собой – и эта удивительная сила сейчас же исчезает, и тогда кулоновское отталкивание отбрасывает протоны друг от друга.

Итак, для того чтобы «собрать» из ядер водорода (протонов) ядро более тяжелого атома, нужно решить практически нерешаемую задачу: преодолевая могучее кулоновское отталкивание, необходимо приблизить протоны вплотную друг к другу – настолько, чтобы они за счет включившегося сильного взаимодействия «слиплись» между собой.

Как сказано выше, в обычных условиях это невозможно. Но оказалось, что это становится возможным в недрах Солнца, в самой его сердцевине, которая называется солнечным ядром!

Гигантская масса Солнца приводит к тому, что под воздействием силы тяжести вещество (это и есть преимущественно ядра атомов водорода, то есть протоны) сжато в центре нашей звезды до огромных плотностей. Расчеты показывают, что плотность вещества в ядре Солнца достигает 153 граммов в кубическим сантиметре, что в 153 раза больше плотности воды! Даже аналогичный по объему кубик железа весит всего около восьми граммов. В единице объема в ядре Солнца оказывается очень много вещества.

Второй фактор, помогающий термоядерным реакциям, – это колоссальная температура в недрах светила. Мы уже отмечали, что она превышает 15 миллионов градусов. Но что такое температура? Это мера кинетической энергии отдельных частиц (в данном случае протонов), то есть характеристика их скорости!

Если мы говорим об абсолютном нуле температуры, это означает, что частицы просто не движутся. Потому-то температура не может быть ниже абсолютного нуля: если движения уже нет, то и уменьшать его дальше некуда. Если же частицы начинают двигаться, то мы говорим, что температура газа, состоящего из этих частиц, отлична от нуля. Если же частицы движутся с большими скоростями, мы рассуждаем о высокой температуре.

Что же может произойти с протонами, если заставить их двигаться с гигантскими скоростями и при этом набрать огромное их количество в единице объема? Появляется слабая, очень малая, но все-таки отличная от нуля вероятность столкновений!

На самом деле происходящие процессы оказываются гораздо сложнее. Здесь начинает работать так называемый туннельный эффект, описанный квантовой физикой. Он позволяет протонам иногда преодолевать кулоновский барьер и сближаться – практически до столкновения.

Современная ядерная физика довольно подробно изучила эти процессы. Каждый протон сам по себе чрезвычайно устойчив, он может существовать многие миллиарды лет. Но, оказавшись очень близко к другому протону, он может распасться, превратившись в нейтрон с испусканием двух частиц: одна из них называется позитрон (электрон с положительным зарядом), а другая – нейтрино (частица с микроскопической массой и не обладающая электрическим зарядом). Эти легкие частицы быстро покидают «поле боя»: нейтрино практически не взаимодействует с тяжелыми частицами и может свободно пройти сквозь все Солнце с околосветовой скоростью, покинув его. Позитрон немедленно превратится в порцию (квант) гамма-излучения, аннигилируя (взаимноуничтожившись) при столкновении с первым же встречным электроном.

Что же будет с образовавшимся нейтроном? Он объединится с тем самым протоном, с которым произошло его столкновение. Эти две частицы образуют так называемое ядро тяжелого водорода – дейтрон.

Описанный процесс может происходить крайне редко. Теоретические расчеты показывают, что протоны из-за гигантской плотности и высокой температуры в ядре Солнца сталкиваются там между собой миллионы раз в секунду. Но только одно из десяти миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов столкновений может окончиться распадом одного из сталкивающихся протонов и немедленным объединением образовавшегося нейтрона с другим протоном. Для каждой пары протонов такое объединение может происходить в недрах Солнца в среднем один раз за 14 миллиардов лет! Именно поэтому термоядерные реакции идут так долго, и Солнце не погасло (и не погаснет!) на протяжении долгих миллиардов лет. А благодаря тому, что протонов очень много, реакция все-таки идет непрерывно – каждую секунду в нее вступают примерно 4 миллиона тонн протонов.

Что же происходит дальше? Образующиеся дейтроны довольно быстро (в среднем через шесть секунд после своего образования) захватывают еще по одному протону. В результате формируются ядра, содержащие по два протона и одному нейтрону – это так называемый изотоп гелия-3 (число, стоящее после названия ядра, показывает общее количество так называемых нуклонов – протонов и нейтронов, входящих в состав ядра). При этом снова испускается квант энергичного гамма-излучения.

Два ядра образовавшегося гелия-3 также способны провзаимодействовать между собой. Вероятность такого столкновения в условиях солнечного ядра невелика, но она все-таки гораздо выше, чем вероятность образования дейтрона из двух протонов. В среднем раз в миллион лет два ядра гелия-3 могут, столкнувшись, слиться между собой, испустив два протона и образовав так называемую альфа-частицу – ядро атома обычного гелия-4, содержащего два протона и два нейтрона. Опять-таки, из-за гигантского числа частиц в недрах Солнца эта реакция происходит непрерывно.

В результате из четырех протонов может получиться одно ядро гелия! Происходит исполнение давней мечты алхимика: из одного химического элемента (водорода) получается другой (гелий)!

И теперь – самое главное. Масса получившегося ядра гелия оказывается чуть меньше суммарной массы изначально провзаимодействовавших протонов. Со времен изучения школьной химии мы помним, что такого не бывает: есть закон сохранения массы в химических реакциях!

Рис. 14. Протон-протонный цикл

Но мы обсуждаем не химические реакции. Описанный процесс называется реакцией термоядерного синтеза. И здесь работает знаменитая формула Эйнштейна, устанавливающая эквивалентность массы и энергии: энергия частицы равна ее массе, умноженной на огромный коэффициент – квадрат скорости света:

E = mc^2.

Если масса в результате реакции уменьшилась, значит, часть массы превратилась в энергию электромагнитного излучения! Вспомним вторую реакцию присоединения протона к дейтрону, в процессе которой выделяется гамма-излучение (и еще немного энергии уносит нейтрино).

Расчеты показывают, что это и есть энергия, выделяющаяся в результате термоядерных реакций. В энергию излучения превращается примерно 0,73 % массы каждых четырех ядер водорода, вступающих в реакцию, чтобы образовать одну альфа-частицу. Учитывая огромный коэффициент в формуле Эйнштейна (квадрат скорости света), получается, что в расчете на каждый вступающий в реакцию протон выделяется довольно много энергии!

Но в ядре Солнца содержится гигантское количество протонов. Каждое мгновение в реакции термоядерного синтеза вступает очень большое число этих частиц. Ежесекундно, как указано выше, в энергию гамма-излучения превращается около 4 миллионов тонн водорода (Солнце становится на эту величину легче)!

Эффективность этого процесса очень высока. Умножив это число на квадрат скорости света, мы получим общую энергию, выделяемую Солнцем за секунду, то есть его светимость (около 3,84 × 10^26 ватт)! Отсюда следует, что именно цепочка из этих трех термоядерных реакций (она называется протон-протонным циклом) является основным источником энергии солнечного излучения.

Теория элементарных частиц показывает, что протон-протонный цикл – не единственная цепочка реакций, которая может протекать в недрах Солнца. Образовавшиеся во время второй реакции ядра гелия-3 могут объединяться не только друг с другом, но и с уже образовавшимися ядрами гелия-4 (альфа-частицами), создавая при этом ядра атомов изотопа бериллия-7. Дальше цепочка превращений может идти по двум вариантам, в результате которых могут получиться либо ядра лития, либо ядра изотопа бериллия-8.

Кроме того, существует еще одна цепочка реакций, происходящих в том случае, если в недрах Солнца окажутся еще и ядра атомов углерода-12. Они взаимодействуют с протонами, превращаясь последовательно в ядра азота и кислорода. Замечательно то, что на последнем этапе возникают альфа-частица и снова атом углерода. Получается, что сам углерод ни во что в конечном итоге не превращается, и работает как катализатор так называемого углеродного цикла.

Существующая теория утверждает, что в ядре Солнца основную роль играет протон-протонный цикл, а на углеродный приходится всего 1–2 % от общего количества выделяемой энергии. Тем не менее, эти реакции приводят к появлению в ядре Солнца новых типов атомов. Из ядер атомов водорода (протонов), как из кирпичиков, под действием царящих там высоких давлений и температур, в ядре Солнца, как на фабрике, развернут процесс производства более тяжелых элементов (гелия, бериллия, азота, кислорода и других), которых ранее там не было! При этом параллельно процессам образования новых элементов идет непрерывный процесс выделения энергии в виде самого энергоемкого коротковолнового электромагнитного излучения – гамма-квантов.

Нетрудно сообразить, что процесс энерговыделения Солнца будет продолжаться до тех пор, пока на нем есть топливо – ядра водорода. Спектральный анализ показывает, что пока что водорода на Солнце хватает – во всяком случае, в фотосфере его примерно в десять раз больше, чем гелия.

Разумеется, в центре Солнца, где непрерывно идет процесс преобразования водорода в гелий, относительное количество последнего выше, чем в поверхностных слоях (согласно расчетам, гелия там уже около двух третей (63 %) от общего содержания вещества). Тем не менее, теория утверждает, что на поддержание относительно стабильного режима энерговыделения на Солнце водорода хватит, по крайней мере, еще на 4–5 миллиардов лет, другими словами, еще на столько же, сколько Солнце уже существует (на основе множества различных данных считается, что Солнцу и Солнечной системе примерно 4,5–4,6 миллиарда лет).

Развитие науки в целом и ядерной физики в частности привело, между тем, к еще одному ошеломляющему выводу. Соотношение количества разных типов химических элементов в фотосфере Солнца очень близко к такому же соотношению в космических газопылевых облаках. Примерно такое же соотношение обнаруживается в самых распространенных метеоритах – хондритах. Все это может означать, что все в Солнечной системе, включая и Солнце, и планеты, сформировалось из единого протопланетного газопылевого облака. Небольшие компактные планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) предположительно утратили (не смогли удержать в процессе формирования) свои легкие элементы – водород и гелий. Массивные объекты – Солнце и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) – смогли захватить и сохранить их. Таким образом, соотношение элементов на Солнце и на Земле (исключая водород и гелий) приблизительно сходно. Особенно впечатляющим выглядит это совпадение, если мы сравним состав морской воды и вещества Солнца.

Но нужно учитывать, что термоядерные реакции в недрах Солнца не способны произвести самые тяжелые элементы таблицы Менделеева! Расчеты показывают, что даже в звездах, которые существенно массивнее Солнца, где температура и давление в центре гораздо больше солнечных, невозможно путем термоядерного синтеза получить атомы химических элементов тяжелее железа. «Собрать» атомы железа в отдельных случаях еще можно, но кобальта – уже нельзя! Для этого требуется слишком много энергии, и условия в ядрах обычных звезд обеспечить протекание таких процессов не могут.

Тем не менее, наличие тяжелых элементов и на Земле, и на Солнце налицо. На нашей планете золото, уран, платину мы обнаруживаем непосредственно, на Солнце – косвенным, но надежным методом спектрального анализа. Но термоядерные реакции на самом Солнце не могли породить эти элементы. Откуда же они взялись?

Очевидно, они присутствовали изначально в газопылевом протопланетном диске, породившем Солнечную систему. Других вариантов нет. Гравитационные силы собрали в его центре гигантский шар протосолнца, который своим огромным тяготением «натянул» на себя большое количество вещества из окружающего облака. Когда растущие температура и давление в центре увеличивающегося газового шара достигли критических значений, там вспыхнули термоядерные реакции, и Солнце загорелось как звезда.

Гравитационная неустойчивость привела к тому, что окружающая Солнце туманность распалась на комки вещества, давшие основу будущим планетам. Мощное излучение молодого Солнца вымело остатки пыли и газа на далекую периферию сформировавшейся Солнечной системы.

На самом деле, судя по всему, процесс образования Солнечной системы был гораздо более сложным и многоэтапным, и все детали сценария окончательно не известны. Но нас сейчас интересует не это. Откуда же в протопланетном облаке появились атомы тяжелых элементов?

На сегодняшний день существует, пожалуй, единственная базовая концепция, отвечающая на этот вопрос. Дело в том, что массивные звезды в конце своей эволюции иногда взрываются (Солнцу такой исход не грозит). Чудовищной силы взрыв срывает внешнюю газовую оболочку звезды, и ее клочья разлетаются с огромными скоростями – порядка тысячи километров в секунду. Подобный катастрофический процесс астрофизики называют взрывом сверхновой. Во время взрыва температура и давление (а значит, и плотность) на короткое время достигают таких высоких значений, какие никогда не реализуются в недрах обычных звезд. При этих условиях кратковременно могут протекать термоядерные реакции, порождающие в процессе объединения ядер легких элементов и присоединения к ним новых протонов или альфа-частиц ядра любых тяжелых элементов – от кобальта и никеля до технеция и урана. Расширяющаяся оболочка, сорванная с взорвавшейся звезды, оказывается насыщенной выброшенными взрывом атомами практически всех типов!

Ранее считалось, что взрывы сверхновых – это единственный способ поставлять в нашу Вселенную тяжелые элементы. Но оказалось, что есть и другие сходные процессы, например, если где-то в недрах космоса существует тесная пара из так называемых нейтронных звезд. Нейтронные звезды – это то, что остается от ядра массивной звезды после взрыва сверхновой, когда внешние слои звезды срываются взрывом. Остается сверхплотное небесное тело, состоящее практически из одних нейтронов, плотно прижатых друг к другу, – как внутри ядра атома. Это самая плотная упаковка вещества, которая существует в природе (если не вспоминать о черных дырах). Плотность вещества нейтронной звезды достигает сотен миллионов тонн в кубическом сантиметре! Эти объекты обладают многими экстравагантными свойствами, но сейчас для нас важно другое.

Оказывается, тесная пара из двух нейтронных звезд может слиться. В результате происходит чудовищный выброс энергии. Часть уходит в так называемые гравитационные волны (такой процесс впервые был зафиксирован в 2017 году). Другая часть выделившейся энергии порождает термоядерные реакции, в результате которых возникают ядра тяжелых элементов, включая золото, платину и другие, и этот процесс также был надежно зафиксирован спектральными методами в 2017 году…

Это означает, что если у читателя есть золотые и серебряные вещи, он (читатель) должен четко осознавать: атомы, из которых состоят его драгоценности, появились на свет 7–10 миллиардов лет назад во время исторического взрыва какой-нибудь древней сверхновой либо слияния не менее древних нейтронных звезд. Иные способы построить эти атомы на сегодняшний день нам неизвестны.

Другими словами, неизбежен следующий вывод. Солнце – звезда как минимум второго (а скорее всего, третьего) поколения. И само Солнце, и планеты, включая Землю, сформировались из единого газопылевого облака, которое, в свою очередь, являлось продуктом взрыва древней сверхновой. Этот взрыв в далеком прошлом образовал огромное облако газа и насытил его атомами тяжелых элементов. Есть данные, согласно которым можно утверждать, что такой взрыв был не один: похоже, что взрывавшиеся сверхновые за несколько этапов впрыснули эти атомы в протопланетное облако, а значит, и в будущее Солнце.

Здесь, по-видимому, нам следовало бы остановиться и немного подумать.

Теория термоядерного синтеза, разработанная командой физиков под руководством Ханса Бете, объясняет происхождение огромной энергии, излучаемой Солнцем. Однако эта теория достаточно сложна и на первый взгляд состоит из слишком большого количества сильных допущений и предположений. Расчеты, позволяющие утверждать, что же, собственно, происходит в глубоких недрах нашего светила, вообще говоря, могут содержать ошибки. Более того, они в принципе могут оказаться неправильными. В прошлом подобных случаев (появления неверных теорий) было более чем достаточно.

Почему же мы все-таки уверены, что теория термоядерного синтеза в центре Солнца верна?

Можно заметить, что есть люди, которые отрицают эту теорию до сих пор. Автору лично известен как минимум один человек, который утверждает, что термоядерный синтез в ядре Солнца невозможен. Его аргументы таковы: в центре Солнца водород уже давно превратился в гелий, и реакции должны были давно прекратиться, потому что водородное топливо в ядре звезды уже кончилось. А ближе к поверхности Солнца термоядерные реакции невозможны, поскольку там недостаточно высоки температуры и плотность…

В свое время в Доме Книги (здании компании «Зингер») в Санкт-Петербурге был целый отдел, где продавались книги, изданные авторами на собственные средства. В некоторых из них жестко критиковались теория относительности и другие научные теории, в том числе и теория ядерного синтеза в приложении к звездам и Солнцу. Предлагались иные версии. Насколько мне известно, есть и сегодня (или были недавно) последователи Н. А. Козырева, развивающие его идею процесса преобразования времени в энергию в недрах звезд.

Тем не менее, эти альтернативные концепции в энциклопедиях и учебниках не упоминаются. Неужели дело в крайнем консерватизме официальной науки (в чем ее упрекают оппоненты), которая не допускает конкуренции и новых свежих идей?

Дело совсем не в том.

Выше уже говорилось, что научный метод строится на нескольких базовых принципах (подробнее об этом сказано в моей книге «Мифы минувшего века»).

Первый принцип называется принципом верификации. Его смысл состоит в следующем: любое научное утверждение должно быть доказано. Пока нет надежных доказательств, в утверждение еще не есть научная теория, а только гипотеза, которая может оказаться неверной.

Второй принцип, известный как принцип фальсификации, утверждает: любое научное утверждение должно быть проверяемым. Научная гипотеза должна обязательно выдвигаться в комплекте с предложениями, как можно эту гипотезу проверить. Эти предложения, как правило, выглядят таким образом: если гипотеза А верна, то должен наблюдаться эффект В.

Кроме того, новая научная гипотеза не должна противоречить уже известным, надежно доказанным данным. Она обязана включить в себя и их (возможно, объяснив по-новому)! Этот третий принцип обычно называют принципом логичности.

На самом деле научный метод основан не только на упомянутых принципах, но мы остановимся на этих, самых важных.

Может ли концепция термоядерного синтеза в недрах Солнца подтверждаться какими-то предсказаниями, сделанными в рамках этой концепции? Можем ли мы проверить эти предсказания на практике? Если прогнозы, основанные на проверяемой концепции, подтвердятся, мы получим мощный довод в пользу ее правильности.

Проверить на практике теорию термоядерного синтеза крайне сложно. Дело в том, что реакции текут в ядре Солнца, до которого нам не добраться! Эти реакции скрыты под гигантской толщей раскаленной плазмы. На первый взгляд, невозможно точно сказать, что именно разогревает Солнце изнутри – термоядерный синтез либо что-то иное, – например, множество маленьких человечков, которые сжигают какое-то топливо в печке.

Но оказывается, способ проверки существует. Давайте вспомним о нейтрино! Это частицы, которые практически не взаимодействуют с веществом и способны пройти сквозь всю толщу Солнца (или Земли), даже не заметив этого. Согласно теории термоядерного синтеза, любая звезда, в недрах которой идут термоядерные реакции, должна извергать громадное количество нейтрино. Изложенная в предыдущей лекции теория способна сказать, сколько частиц должно выходить из недр светила. Если нам известна общая светимость Солнца, мы можем рассчитать, сколько протонов в ядре светила должны ежесекундно вступать в реакцию, чтобы обеспечить известный выход энергии. Согласно теории, образование одного ядра атома гелия (альфа-частицы) сопровождается выходом двух нейтрино. Кроме того, теория предсказывает, какая именно энергия выделяется при этом процессе.

Соответствующие расчеты дают астрономическое число: при данной светимости, если теория термоядерного синтеза верна, в недрах Солнца должны производиться 10^38 нейтрино в секунду! Эти частицы летят от Солнца во все стороны. Зная расстояние от Солнца до Земли, опять-таки нетрудно вычислить, какова должна быть плотность потока нейтрино на нашей планете. Здесь солнечных нейтрино на единицу площади, конечно, будет гораздо меньше, но все-таки очень много: расчеты показывают, что на каждый квадратный сантиметр на Земле каждую секунду должны падать 100 миллиардов нейтрино!

Это сильный вывод. Читатель, относящийся с доверием к теории термоядерного синтеза, должен смириться с тем, что сквозь каждый квадратный сантиметр поверхности его тела каждую секунду проносится порядка 100 миллиардов невидимых частиц! Ни люди, ни нейтрино этого не замечают: эти удивительные частицы, согласно теории, могут пролететь сквозь всю Землю, не взаимодействуя на своем пути ни с одним атомом, из которых состоит наша планета.

Но тогда, скажет читатель, это принципиально непроверяемый тезис! Если нейтрино не взаимодействует с веществом, то они не будут взаимодействовать и с нашими приборами, а значит, мы не сможем доказать, существуют ли вообще эти частицы и действительно ли они летят в таком гомерическом количестве из недр Солнца! Согласно принципу фальсификации, проверить это невозможно, следовательно, все рассуждения о нейтрино не относятся к разряду научных!

К счастью, это будет преждевременное утверждение. Нейтрино почти не взаимодействуют с веществом, но все-таки взаимодействуют. И та же самая теория подсказывает, что именно может произойти, если такое взаимодействие осуществится.

Метод был впервые предложен в 1946 году академиком Бруно Понтекорво (1913–1993) – итальянским физиком, с 1950 года работавшим в СССР. Это тот самый Понтекорво, о котором пел Владимир Семенович Высоцкий:

Пусть не поймаешь нейтрино за бороду

И не посадишь в пробирку,

Но было бы здорово,

Чтоб Понтекорво

Взял его крепче за шкирку!

Метод Понтекорво был реализован спустя 11 лет Раймондом Девисом (1914–2006) в США, получившим за свои исследования Нобелевскую премию по физике в 2002 году. Оказывается, атомы хлора способны поглощать нейтрино с энергиями выше определенного предела, испуская при этом электрон и превращаясь в радиоактивные ядра изотопа аргона с периодом полураспада 35 дней.

В штате Южная Дакота Дэвис поставил первый в истории хлор-аргонный эксперимент. В шахте на глубине 1455 метров был установлен резервуар с жидким перхлорэтиленом – веществом, богатым хлором. 615 тонн вещества были спрятаны так глубоко, чтобы защититься от космических частиц высоких энергий, которые могли вызвать эффекты, такие же, как и ожидаемые от солнечных нейтрино. Почти полтора километра земной породы надежно защищали установку от проникновения любых частиц, кроме нейтрино. Нейтрино от Солнца должны были попадать в установку Дэвиса «снизу», пройдя сквозь всю Землю!

Чувствительность метода должна была стать абсолютно фантастической. Специально для этих экспериментов была введена специальная единица – SNU, или Solar Neutrino Unit. Один SNU соответствует потоку нейтрино, при котором в детекторе, содержащем 10^36 (миллиард миллиардов миллиардов миллиардов) ядер атомов хлора-37 образуется одно ядро изотопа аргона-37 за секунду. Были разработаны специальные физико-химические методы извлечения отдельных ядер аргона из огромной массы хлора.

Теория предсказывала, что с учетом конкретной массы вещества в хлорном детекторе и небольшого фона, все-таки создаваемого космическими лучами (частицами несолнечного происхождения), изредка должны регистрироваться реакции поглощения солнечных нейтрино хлором, соответствующие примерно восьми SNU. На практике детектор Дэвиса регистрировал поток нейтрино, в среднем соответствовавший втрое меньшей величине – примерно 2,55 SNU (одна солнечная частица за два-три дня). Таковы итоги этого почти двадцатилетнего эксперимента.

Поток солнечных нейтрино был обнаружен! Это подтверждало теорию ядерного синтеза: другие способы производства нейтрино в недрах Солнца неизвестны. Но расхождение с теорией вызывало подозрение: что-то неладно либо в методике эксперимента, либо в теории.

Еще один важный принцип в науке – это воспроизводимость результата. Если эффект существует, он должен фиксироваться и на других установках.

Теория допускала взаимодействие потока нейтрино не только с атомами хлора. Советский физик Вадим Алексеевич Кузьмин (1937–2015) предложил новый тип эксперимента на основе захвата нейтрино ядрами атомов галлия. В результате галлий должен превращаться в радиоактивный германий с периодом полураспада 11,4 суток. Согласно теории, для регистрации одного захвата нейтрино в сутки было достаточно существенно меньшей массы детектора – 20 тонн галлия.

Советский (через год ставший российским) детектор, готовившийся совместно с США, заработал в 1990 году. Резервуар с 57 тоннами галлия был размещен в глубине горы на Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН в Баксанском ущелье на Северном Кавказе (эксперимент SAGE).

В 1991 году в Гран Сассо в Итальянских Альпах был дан старт второму проекту со схожей методикой (итало-немецкий эксперимент GALLEX, 30 тонн галлия). Предварительные результаты оказались следующими: SAGE – 73 SNU, GALLEX – 79 SNU. Но теория предсказывала 122–132 SNU!

Исследования продолжались. В шахте Камиока (Японские Альпы) на глубине 1000 метров был размещен водный детектор Камиоканде-II. Идея эксперимента на этот раз сводилась к использованию 680 тонн воды в качестве рабочего вещества. Согласно теории, нейтрино иногда должны взаимодействовать с электронами атомов в молекулах воды. В результате рассеяния отдельных частиц в недрах детектора в полной темноте должны возникать вспышки света так называемого черенковского излучения. В стенках резервуара были размещены чувствительные фотоумножители. Первые измерения показали: схема работает, нейтрино фиксируются – но их поток снова оказывался вдвое меньше, чем предсказывала теория!

Модернизированный эксперимент «Супер-Камиоканде» позволил не только фиксировать отдельные взаимодействия нейтрино с веществом детектора, но даже впервые построить размытое «нейтринное» изображение Солнца. Поток нейтрино от Солнца уверенно регистрировался во всех экспериментах. Это означало, что термоядерные реакции в недрах Солнца, безусловно, идут! Но проблема оставалась серьезной: количество нейтрино было меньше, чем предсказывала теория. При этом в разных экспериментах расхождения с расчетами были различными (в два, три, четыре раза).

Конечно, разные установки фиксировали немного разные нейтрино – частицы с различными энергиями. Конечно, всегда оставалось сомнение, насколько корректно проведена обработка данных, насколько правильно работает установка, насколько учтены все инструментальные эффекты, – эксперимент был немыслимо сложным! Методика совершенствовалась, расхождения постепенно уменьшались, но оставались значимыми.

Исследователи постепенно склонялись к мысли, что дело не в погрешностях теории ядерного синтеза на Солнце, а в недостатках наших представлений о том, что такое сами нейтрино!

И действительно, низкая способность нейтрино к взаимодействию с веществом существенно осложняла, осложняет и будет осложнять исследование этих частиц. Некоторые основные свойства нейтрино были вообще неизвестны. Например, согласно первоначальным вариантам теории, нейтрино вообще не обладают массой, и в этом смысле они казались похожими на частицы света – фотоны – и должны передвигаться со скоростью света. Постепенно накапливались основания для подозрений, что масса у нейтрино все-таки есть, но очень маленькая, существенно меньше, чем, например, у электрона. Но тогда теория допускала, что могут существовать нейтрино нескольких «сортов»!

Более того, в соответствии с теорией представлялись возможными превращения нейтрино одного сорта в нейтрино других сортов (так называемые осцилляции нейтрино). Эта идея впервые была высказана в 1968 году все тем же Бруно Понтекорво. Один из сортов частиц (так называемые правополяризованные, или стерильные нейтрино) вообще не должны взаимодействовать с веществом! Если предположить, что в процессе движения от центра Солнца до земного детектора часть нейтрино претерпевает осцилляции (превращается, например, в стерильные), то вполне естественно, что количество регистрируемых частиц должно уменьшиться.

Позднее теоретические исследования показали, что если осцилляции нейтрино действительно существуют, то они должны усиливаться при прохождении сквозь вещество (эффект Михеева – Смирнова – Вольфенштейна). При этом, если в потоке появятся так называемые μ-нейтрино и τ-нейтрино, которые должны взаимодействовать с веществом слабее, чем рассматривавшиеся ранее в расчетах электронные нейтрино, то число регистрируемых частиц должно также уменьшиться!

Нужен был контрольный эксперимент.

Открытие было сделано в первом году нового, третьего тысячелетия. Канадская нейтринная обсерватория в Садбери (SNO) поставила точку в долгом споре о проблеме солнечных нейтрино.

Установка SNO – это гигантский резервуар, содержащий 1000 тонн сверхчистой тяжелой воды (вместо двух атомов водорода в молекуле воды присутствуют два атома тяжелого водорода – дейтерия). В установке работают 9456 фотоумножителей, которые фиксируют черенковское излучение от взаимодействия энергичных нейтрино с атомами дейтерия. При этом впервые можно разделить следствия от взаимодействия с различными сортами нейтрино.

Теория предсказывает три возможных типа реакций. В первой участвуют только электронные нейтрино, во второй – нейтрино всех сортов, в третьей – также нейтрино всех сортов, но здесь поток уменьшен в 6,5 раз из-за другого механизма реакции. При этом третья реакция фиксируется одновременно в установках «Садбери» и «Супер-Камиоканде».

Авторы статьи, опубликованной в 2001 году (число авторов приближается к двумстам – сегодняшние открытия в одиночку не делаются!), показали, что результаты наблюдений можно рассматривать как подтверждение осцилляций (превращений) солнечных электронных нейтрино в другие сорта (τ- и μ-). Авторы вузовского учебника «Общая астрофизика», известные московские астрофизики А. В. Засов и К. А. Постнов указывают, что эти данные лучше всего соответствуют предсказываемому теорией случаю полного смешения нейтрино при распространении в веществе (уже упоминавшийся эффект Михеева – Смирнова – Вольфенштейна).

Осцилляции электронных нейтрино в стерильные также не исключены, но уже ясно, что доля электронных нейтрино, осциллирующих в стерильное состояние, не превышает 30 %.

Впереди еще много работы, связанной с уточнением поведения нейтрино, изучением свойств этих во многом еще загадочных частиц. Много надежд возлагается на уникальный современный проект IсeCube – ледяной куб на Южном полюсе. Проект реализован специалистами из США совместно с коллегами из Бельгии, Германии, Швеции и Японии. Здесь в качестве рабочего вещества используется лед! С помощью бурильной установки, использующей обычный кипяток, в ледяном щите Антарктиды проплавлены глубокие каналы, в которые опущены оптические датчики, способные регистрировать вспышки в ледяной толще. Каналы были залиты быстро замерзающей на антарктическом холоде водой, и датчики вмерзли в лед. Общие размеры ледяного детектора впечатляют – кубический километр…

Столкновения нейтрино с молекулами воды должны приводить к выделению частиц под названием мюоны. Это приводит к вспышкам света, которые и регистрируются датчиками. Антарктический детектор рассчитан на исследование высокоэнергичных нейтрино, порождаемых термоядерными реакциями значительно большей мощности, чем в недрах Солнца: во время взрывов сверхновых, столкновений черных дыр и нейтронных звезд. Этот проект дает много новой информации о сущности нейтрино.

Итак, хотя в физике нейтрино остается еще много неясного, уже сейчас можно уверенно сказать, что проблема солнечных нейтрино наконец успешно решена. Стало понятно, чем обусловлено расхождение между теоретическими расчетами и результатами наблюдений. Теорию, как всегда в таких случаях, пришлось усовершенствовать. Но модернизировать пришлось теорию нейтрино, а не теорию термоядерного синтеза в недрах звезд! В 2002 году создатель первого хлор-аргонного нейтринного детектора Дэвис и один из создателей водного детектора «Супер-Камиоканде» японский физик Масатоси Кошиба (род. 1926) были удостоены Нобелевской премии по физике за решение проблемы солнечных нейтрино.

Авторы альтернативных теорий, спекулировавшие на нейтринной проблеме и пытавшиеся, ссылаясь на нее, отвергать «солнечный термояд» как таковой, лишились главного довода. Теория наконец соответствует наблюдениям!

Впрочем, если говорить честно, у большинства астрофизиков никогда не было сомнений в правильности основных положений термоядерной теории солнечной энергии. Дело в том, что практика – основной критерий истины, а термоядерная реакция уже более полувека назад была экспериментально осуществлена на Земле во время испытаний водородных бомб! Сам факт существования термоядерного оружия, история его испытаний, показавших, что создатели водородной бомбы разработали правильную теорию (мощность взрывов соответствовала расчетам!), – самый весомый довод в пользу того, что теория верна.

Физики как никто другой понимают, что в ядре Солнца, где температура превышает 15 миллионов градусов, плотность близка к 150 граммам в кубическом сантиметре, а давление составляет 25 квадриллионов паскалей, термоядерные реакции превращения водорода в гелий просто не могут не идти! И это означает, что подробности и детали процесса еще могут уточняться, но основная идея может считаться надежно и навсегда подтвержденной. Проблема источника энергии Солнца, а заодно и большинства других звезд наконец решена.

Сегодня поставлена грандиозная задача – реализовать процесс управляемого термоядерного синтеза на Земле, построить не бомбу, где этот процесс идет доли секунды в виде взрыва, а реактор, где энергия будет выделяться постепенно. Для этого нужны «мелочи» – научиться поддерживать водородную плазму при миллионах градусов и гигантских давлениях. Вся теория процесса разработана уже давно, но технические трудности не позволяют решить задачу в течение вот уже полувека. Во второй половине 2007 года руководство России приняло решение о новой программе, нацеленной на создание термоядерного реактора до 2040 года. Подобные работы ведутся в США и Европе, работают как национальные, так и международные проекты, на которые выделяется все больше средств. Есть надежда, что к середине XXI века человечество получит новый, экологически чистый источник огромного количества энергии, аналогичный тому, что работает в недрах Солнца. Создать на Земле искусственное Солнце – вот уж действительно достойная задача!

Лекция седьмая

Солнце в разрезе

Солнце – улей, полный сотами,

Золотыми, несравненными!

Николай Гумилев

Солнце – это то, что греет. Иногда Солнце не очень ярко светит, это бывает вечером, а ночью Солнца вообще нет.

Настя Шестакова, 5 лет

Итак, теперь мы знаем, что в центре Солнца под воздействием высоких температуры и плотности плазмы текут термоядерные реакции. Что еще происходит в недрах звезды, на огромном протяжении от центра до фотосферы? Что нам об этом известно?

На эти вопросы отвечает так называемая стандартная модель Солнца, созданная в ХХ веке. Она включает в себя громадное количество экспериментальных фактов, наблюдаемых гелиофизиками. Модель обладает свойством самосогласованности: в ней сведены к минимуму расхождения между разными результатами разных наблюдений, относящихся к разным параметрам Солнца, и расчетами, которые предсказывают значения этих параметров в рамках этой модели. Естественно, конкретные значения параметров модели подправляются и будут подправляться по мере нашего продвижения по пути дальнейшего изучения Солнца. Тем не менее, уже понятно, что стандартная модель Солнца, видимо, недалека от истины: она неплохо описывает все, что мы наблюдаем на Солнце.

Рис. 15. Строение Солнца

Итак, начнем подниматься к фотосфере из самого центра Солнца. Здесь кипят термоядерные реакции по крайней мере двух типов: углеродного и протон-протонного циклов. На углеродный цикл в самом центре Солнца приходится, согласно модели, примерно 30 % от общего энерговыделения. Если мы начнем «всплывать» к поверхности нашей звезды, мы обнаружим, что температура с 15 миллионов градусов будет постепенно снижаться – как и плотность вещества. Углеродный цикл, требующий более высоких плотности и температуры, быстро сходит на нет, и выделение энергии происходит уже только за счет основного на Солнце протон-протонного цикла.

Гелиофизики называют центральную часть Солнца, где протекают реакции термоядерного синтеза, ядром Солнца. Его внешняя граница лежит примерно в 0,2–0,3 радиусах звезды от ее центра. На внешней границе ядра температура падает примерно втрое (до 5 миллионов градусов). Заметно снижается и плотность водородно-гелиевой плазмы. В результате термоядерные реакции на этом уровне практически прекращаются. Выше (дальше от центра) выделившаяся энергия только переносится наружу, но уже не генерируется.

Если легкие микроскопические нейтрино, рождающиеся в ядре, примерно за 2 секунды беспрепятственно преодолевают всю толщу Солнца и уносятся в космическое пространство, то для частиц (квантов) электромагнитного излучения – фотонов – это нелегкая задача. Энергичные фотоны гамма-излучения, которые рождаются в центре Солнца, сталкиваются с частицами вещества и изменяют направление своего движения (рассеиваются). В центре Солнца фотон пробегает не больше трех десятых миллиметра – и снова сталкивается с частицами плазмы! По мере удаления от центра длина свободного пробега фотонов понемногу растет, но все равно остается небольшой. Бесчисленные столкновения приводят к тому, что излучение с большим трудом пробирается наружу. Фотоны огромное число раз меняют направление движения, отражаются назад, в стороны, поглощаются частицами вещества, передавая им свою энергию. Частицы, получившие избыток энергии, сами излучают новые фотоны, но уже с чуть меньшей энергией (у соответствующего электромагнитного излучения несколько увеличивается длина волны). В результате гамма-кванты постепенно превращаются в более длинноволновое излучение, толща Солнца наполняется не только гамма-излучением, но и рентгеновским, а далее и более низкочастотным (длинноволновым). Процесс «просачивания» излучения из недр Солнца продолжается очень долго: расчеты показывают, что фотон, родившись в ядре звезды во время термоядерной реакции, «пробирается» на поверхность Солнца после бесчисленных актов поглощения и переизлучения порядка сотни тысяч лет!

Пространство от 0,2–0,3 радиуса Солнца до примерно 0,7 радиуса называется зоной лучистого переноса, лучистого равновесия или лучистой теплопроводности. По мере того как общий поток излучения продвигается наружу, он распределяется по все большей площади, попадая в очередные слои зоны лучистого равновесия все ближе к поверхности Солнца. Поэтому температура постепенно уменьшается по мере подъема из глубин Солнца (пропорционально квадратному корню из расстояния до центра светила).

На глубине 0,3 радиуса под фотосферой (в 0,7 радиуса Солнца от его центра) непрозрачность солнечного вещества становится еще более высокой – она сильно зависит от температуры. Поскольку температура в верхней части зоны лучистого равновесия согласно существующей модели составляет чуть меньше 2,5 миллионов градусов, здесь атомы уже ионизованы далеко не полностью! Во всяком случае, это касается атомов тяжелых элементов. Атомы тяжелых элементов поглощают при этих температурах довольно большую часть идущего снизу излучения (в итоге спектр излучения должен быть весь изрезан многочисленными линиями). Мы помним, что общая масса всех элементов, кроме водорода и гелия, составляет всего 2 % массы солнечного вещества, но на верхней границе зоны лучистого равновесия именно эти малочисленные атомы вносят основной вклад в непрозрачность среды.

Мощный поток энергии снизу уже не может полностью обеспечиваться только просачиванием фотонов, как ниже, в зоне лучистого равновесия, где горячая плазма относительно прозрачна. Здесь же среда становится почти непрозрачной. В результате энергия, начиная с этой глубины, начинает переноситься наверх, к поверхности Солнца, движениями самого вещества, восходящими потоками плазмы!

Здесь, на глубине 0,3 радиуса Солнца под фотосферой (это почти точно 200 тысяч километров под поверхностью), начинается так называемая конвективная зона. Укажем особые условия, возникающие здесь.

Из-за близости к поверхности звезды, откуда излучение постоянно и беспрепятственно уходит в окружающее пространство, эта поверхность сравнительно быстро охлаждается. В результате здесь скорость падения температуры с удалением от центра существенно увеличивается (по сравнению с более плавным ее спадом в зоне лучистого равновесия).

Из-за ускоренного падения температуры с перемещением наружу уменьшается и степень ионизации газа, что приводит, в свою очередь, к дополнительному росту непрозрачности. Кроме того, менее ионизованный газ становится более изотермичным (он более эффективно сохраняет свою температуру, невзирая на изменения давления и плотности).

Все эти факторы приводят к появлению принципиально нового эффекта в подфотосферных слоях. Допустим, что где-то на верхней границе лучистой зоны (на глубине 200 тысяч километров под фотосферой) случайно возник некий элемент с температурой несколько выше окружающей. Согласно законам идеального газа¸ давление в нем будет также повышенным. Это означает, что элемент будет расширяться и по закону Архимеда он будет всплывать по направлению к поверхности Солнца. Из-за особых условий, указанных выше, всплывающий элемент будет стараться сохранить избыток тепла по отношению к окружающей среде. Элемент будет оставаться более горячим по сравнению с окружающей средой! Поднявшись на высоту, примерно равную своим размерам, конвективный элемент окажется в среде, которая будет по-прежнему заметно отличаться от него и по температуре, и по плотности. В результате всплывание элемента будет продолжаться. Так формируется восходящий поток вещества.

Поднимаясь все выше, элементы конвекции излучают в пространство избыток энергии. При этом они испытывают торможение со стороны сил трения (вязкости). На уровне фотосферы резко увеличивается прозрачность среды, и элемент быстро охлаждается за счет ухода энергии в космическое пространство, уносимой излучением. В результате стремительно падает уровень ионизации: плазма становится газом.

Если высокоионизованная плазма внутри конвективной зоны способна поддерживать устойчивое состояние за счет того, что изменения температуры в ней компенсируются переходом тепловой энергии во внутреннюю ионизационную энергию и наоборот, то на уровне фотосферы это свойство теряется. Здесь конвекция прекращается. Охлажденные потоки газа растекаются в горизонтальном направлении, обтекают области подъема и сливаются, подобно множеству струй, в нисходящие потоки. В недрах конвективной зоны газ снова нагревается, ионизуется – и все происходит заново. В результате конвекция приводит к активному перемешиванию вещества во внешнем слое Солнца толщиной в 200 тысяч километров.

Конвективная зона играет огромную роль в «жизни» Солнца. Вращение светила, сохранившееся с древних времен, взаимодействует с конвекцией и приводит к появлению важнейших эффектов на Солнце.

Первый из них – это появление феномена дифференциального вращения. Этот эффект оказывается характерным именно в конвективной зоне; ниже (в зоне лучистого равновесия) Солнце вращается как твердое тело, не дифференциально.

Второй эффект – это усиление на дне конвективной зоны магнитного поля, о котором речь пойдет ниже. Есть основания полагать, что в глубине конвективного слоя существует слой с большой напряженностью магнитного поля. Избыток тепловой энергии переходит не только в энергию конвективных движений, но и в энергию магнитного поля. Магнитные поля, сформировавшиеся в недрах Солнца, прорываются на поверхность Солнца, определяя огромный массив сложных процессов и явлений, которые называются солнечной активностью.

В пределах конвективной зоны значительная часть поступающей снизу энергии переносится наружу уже не только с помощью электромагнитного излучения, но и за счет перемещения, круговорота громадных масс раскаленного газа. Здесь образуются конвективные восходящие потоки разных размеров – от громадных конвективных ячеек, сопоставимых с толщиной конвективной зоны (эти ячейки допускаются теорией, но с трудом обнаруживаются экспериментально), до сравнительно небольших ячеек конвекции вблизи фотосферы с характерным размером около 1000–1500 километров.

Последние ячейки (верхушки всплывающих конвективных элементов) прекрасно видны на фотосфере в виде так называемой грануляции (этот чрезвычайно удачный термин был предложен английским священником и любителем астрономии Уильямом Реттером Доусом (1799–1868) в 1864 году). Подобная картина наблюдалась в телескопы при хорошем качестве изображений еще более 300 лет назад: именно ее Гершель сравнивал с кожурой апельсина. При более внимательном рассмотрении с помощью хороших телескопов картина напоминает верхний слой гречневой (или рисовой – кому как больше нравится!) каши. Отличие от каши состоит в том, что каждая гранула имеет размер более 1000 километров и существует в среднем 5–10 минут. Гранулы быстро распадаются, на их месте возникают новые. Грануляция отражает конвективные процессы в самом поверхностном слое конвективной зоны, под самой фотосферой.

На уровне фотосферы газ становится прозрачным, здесь температура оказывается самой низкой на Солнце (от 4200 до 5800 градусов). С этого уровня мощное излучение – уже не гамма-лучи, как в ядре светила, но вся шкала электромагнитных волн от рентгена до радиоволн, – беспрепятственно уходит в окружающее пространство. С этого уровня, как уговорились гелиофизики, заканчивается собственно Солнце и начинается солнечная атмосфера.

Конвективная зона оказывает большое влияние на солнечную атмосферу. Советский и российский гелиофизик Эдвард Владимирович Кононович (1931–2017) сравнивал эту зону с тепловой машиной, в которой тепловая энергия частично переходит в механическую (движения плазмы), а затем снова в тепло. Упорядоченные (конвективные) и хаотические (турбулентные) движения газа в конвективной зоне порождают различные типы волн, которые, распространяясь вверх в атмосферу Солнца, переносят туда часть энергии.

Все, что находится над конвективной зоной, включая фотосферу, гелиофизики условно называют атмосферой Солнца. Она традиционно подразделяется на три слоя.

Фотосфера (сфера света). Этот слой, как уже было указано, отличается самой низкой температурой на Солнце (4–6 тысяч градусов). Он непрозрачен, толщина этого слоя – всего несколько сотен километров. Судя по наличию фраунгоферовых линий в спектре излучения Солнца, которое попадает в наши приборы именно из фотосферы, здесь присутствует множество типов атомов. Сравнительно низкая температура приводит к тому, что здесь подавляющее большинство атомов остаются неионизованными. Основной элемент – водород – здесь находится в нейтральном состоянии (каждый протон связан со своим электроном). Плотность газа в фотосфере сравнительно невысока: в кубическом сантиметре находятся 10^15–10^17 атомов. Для сравнения: вблизи поверхности Земли число молекул воздуха в кубическом сантиметре составляет примерно 2,7 × 10^19 частиц. Другими словами, плотность газа в фотосфере близка к плотности земной атмосферы на больших высотах – от 30 до 60 километров над уровнем моря! Среднее давление газа здесь примерно в 10 раз меньше атмосферного у поверхности Земли.

Хромосфера (сфера цвета). Над фотосферой простирается следующий слой, именуемый хромосферой. Во время солнечных затмений, когда ярко светящаяся фотосфера Солнца закрыта, как маской, непрозрачным диском Луны, внимательные наблюдатели уже давно видели тонкую красно-розовую серповидную полоску, охватывающую загороженное Луной Солнце. Окрашенность этого слоя породила его название (от греческого слова «хромос» – цвет). Толщина хромосферы существенно неоднородна – от 2,5 тысяч до 12 тысяч километров над уровнем фотосферы.

Плотность газа здесь продолжает падать по мере удаления от Солнца. Этот крайне разреженный газ почти прозрачен, и в обычных условиях он не виден. Если сфотографировать спектр хромосферы во время солнечного затмения, мы обнаружим, что непрерывный спектр практически погас (он излучается фотосферой, а не хромосферой), а темные линии Фраунгофера превращаются в яркие. Фотографируя диск Солнца в свете одной из таких линий (например, в свете линии нейтрального водорода Н-альфа или линии К ионизованного кальция), мы получим так называемую спектрогелиограмму, на которой будет видно излучение, приходящее только из хромосферы. Для той же цели можно использовать так называемые интерференционно-поляризационные фильтры (ИПФ), впервые примененные в начале 1930 годов французским исследователем Бернаром Лио (1897–1952). ИПФ представляют собой стопу специально обработанных стекол и поляроидов. Они пропускают свет только в очень узком диапазоне длин волн. Если настроить такой фильтр точно на длину волны, соответствующую излучению какой-нибудь хромосферной линии, мы получим изображение хромосферы Солнца в свете этой линии.

Картина хромосферы оказывается неожиданно разнообразной. Здесь явственно проявляются конвективные ячейки больших размеров (так называемые супергранулы со средним размером порядка 30 тысяч километров). На границах супергранул, как правило, возникают участки усиленного магнитного поля, которые хорошо видны как яркие (в центре линии) или темные узелки (в крыльях линий). Хотя конвекция в хромосфере уже не наблюдается (она подавлена в фотосфере), некоторые проявления конвекции в виде сгущений магнитных полей протягиваются в вышележащие слои и хорошо видны.

Кроме того, в хромосфере наблюдаются многочисленные и разнообразные структуры из плазмы, формируемые магнитными полями. Особенность хромосферы заключается в том, что здесь движениями газа, особенно в верхних слоях, управляют магнитные поля.

Специалисты по физике плазмы применяют свой профессиональный жаргон, говоря о «вмороженности» плазмы в магнитное поле. Это значит, что магнитное поле тесно связано с процессами в ионизованном газе: плазма может перемещаться вдоль направления поля, в перпендикулярном же направлении ее движение существенно затруднено. Соответственно, потоки вещества в хромосфере управляются магнитными полями: опытные гелиофизики, рассматривая хромосферные фильтрограммы Солнца, сразу видят, где и как расположены магнитные поля, где проходят их границы и даже как распределены знаки поля. Картина верхней хромосферы в этом смысле напоминает изображения металлических опилок в магнитном поле во время школьного опыта по физике: потоки плазмы трассируют силовые линии поля. Именно наблюдения таких хромосферных структур на спектрогелиограммах позволило столетие назад Хэйлу сделать вывод о присутствии на Солнце магнитных полей. Поскольку в хромосфере давление, порождаемое магнитными полями, гораздо больше газового давления, сложная сетка магнитных полей формирует столь же сложную структуру хромосферы.

Но магнитные поля могут влиять только на плазму, то есть на ионизованный, а не на нейтральный газ! Это значит, что в хромосфере (по крайней мере, в верхней) не газ, а плазма! Но это может быть только при высоких температурах – гораздо более высоких, чем в фотосфере!

Анализ хромосферных спектров подтвердил предварительный вывод: температура в хромосфере выше, чем в фотосфере! Получается, что от центра Солнца к фотосфере температура падает от 15 миллионов градусов до 5–6 тысяч, а затем снова начинает подниматься, хотя плотность газа продолжает быстро уменьшаться с высотой. Температура нижней хромоферы, примыкающей к фотосфере, – 6 тысяч градусов, верхней хромосферы – уже почти 15 тысяч градусов. С ростом температуры действительно усиливается и ионизация вещества.

Если посмотреть на хромосферу Солнца на краю с хорошим разрешением, можно обнаружить, что край солнечного диска «в профиль» похож, по образному выражению российского астронома Петра Григорьевича Куликовского (1910–2003), на множество горящих травинок. Эти вытянутые вверх образования называются спикулы. Размеры этих «травинок» колоссальны: они протягиваются вертикально вверх на тысячи километров, имея ширину основания в пределах 600–1000 километров. Время существования каждой спикулы не превышает пяти минут. Горячий газ в спикулах поднимается с огромными скоростями (несколько десятков километров в секунду) из хромосферы в более высокие слои солнечной атмосферы – корону. Судя по всему, именно спикулы являются основными структурами, через которые хромосфера и корона обмениваются веществом.

В верхнем слое хромосферы плотность вещества падает до 10^9 (миллиарда) атомов в кубическом сантиметре. Несмотря на то, что это в принципе довольно большое число, для нас это уже практически пустота, вакуум. На Земле мы привыкли к другим плотностям газа, в миллионы и миллиарды раз превышающие плотность плазмы в хромосфере Солнца.

Корона. Над хромосферой начинается внешний, самый протяженный и во многом самый загадочный слой солнечной атмосферы – корона. Корону удается увидеть во время полных солнечных затмений, когда яркое излучение фотосферы загорожено Луной. Тогда на потемневшем небе можно увидеть жемчужного цвета свечение неправильной формы, протягивающееся далеко от Солнца. Так, на снимках солнечного затмения 29 марта 2006 года, полученных в Турции Вячеславом Константиновичем Хондыревым и Эдвардом Владимировичем Кононовичем, отдельные структуры короны просматриваются на удалении 20 радиусов Солнца – а это почти 14 миллионов километров! (См. иллюстрацию на вклейке.)

Яркость короны в сотни раз меньше, чем яркость ясного дневного неба (поэтому кроме как во время затмения мы ее не видим) и в миллион раз меньше яркости фотосферы. Ее можно грубо сравнить с поверхностной яркостью Луны. При этом яркость коронального свечения быстро уменьшается по мере удаления от светила. Обычно корону подразделяют на наиболее яркую внутреннюю (удаленную от края солнечного диска не больше чем на 0,2–0,3 радиуса Солнца) и протяженную внешнюю.

Изучение спектров короны показывает, что ее свечение порождается рассеянием света, излучаемого фотосферой, на электронах в околосолнечном пространстве. Согласно сделанным оценкам, плотность частиц в короне должна быть на порядок меньше, чем в хромосфере, – примерно 10^8 электронов в кубическим сантиметре!

Присутствие такого количества свободных электронов в короне можно объяснить только ионизацией: электроны при высоких температурах оказываются оторванными от ядер атомов. Поскольку плазма в целом должна быть нейтральной, в короне должно быть такое же количество положительно заряженных ионов (ядер атомов). Значит, общая концентрация частиц в короне в среднем должна быть порядка 2 × 10^8 частиц в кубическом сантиметре.

Еще одно свойство короны – присутствие в ее спектре таинственных ярких линий, которые долгое время не удавалось отождествить. Доходило даже до того, что была выдвинута гипотеза о существовании здесь и только здесь особого химического элемента – корония. Однако все оказалось проще (а может быть, наоборот, сложнее). Выяснилось, что линии порождаются хорошо известными нам химическими элементами, но в особых условиях! Наиболее яркая зеленая линия оказалась продуктом излучения ионов железа Fe XIV – атомами железа, которые лишены 13 электронов! Еще одна яркая корональная линия красного цвета принадлежит железу, но девятикратно ионизованному – Fe X. Другие яркие линии принадлежат железу Fe XI, Fe XIII, никелю Ni XIII, Ni XV, Ni XVI, кальцию Ca XII, аргону Ar X и другим.

Факт существования излучения этих линий говорит о чрезвычайной разреженности соответствующих ионов: при высокой плотности вещества осуществилась бы рекомбинация: ионы быстро вернули бы себе потерянные электроны. С другой стороны, чтобы оторвать у атомов такое количество электронов, нужна огромная энергия! Для этого необходимы столкновения частиц при очень высоких скоростях. Согласно расчетам, скорее всего, атомы сталкиваются с электронами, разогнанными до скоростей в несколько тысяч километров в секунду. Как мы помним, мерой скорости частиц в газе является его температура. Оценки температуры разреженной корональной плазмы дают значения порядка миллиона градусов!

Именно поэтому не наблюдаются фраунгоферовы линии в излучении внутренней короны. Огромные скорости электронов, рассеивающих солнечный свет, приводят к тому, что контуры фраунгоферовых линий из-за доплеровского эффекта сильно расширяются и размываются, в итоге слабые и сильно размытые линии оказываются совсем незаметными.

Таким образом, корона оказалась состоящей из сильно разреженной и очень горячей плазмы. Излучение короны иногда удается наблюдать не только во время затмений и не только с борта космических аппаратов. Специальные телескопы – коронографы, в которых яркий свет фотосферы закрыт искусственной Луной, обычно устанавливают высоко в горах, чтобы минимизировать яркий рассеянный свет земной атмосферы. Наиболее яркие линии излучения короны можно при этом успешно наблюдать.

Многие годы высокая температура хромосферы, и уж тем более очень высокая температура короны оставались серьезной проблемой для гелиофизиков. Почему, несмотря на быстрое падение плотности вещества в солнечной атмосфере, температура внезапно начинает нарастать после минимума в фотосфере? Почему на расстоянии в несколько тысяч километров (мизерная величина для Солнца) температура газа делает тысячекратный скачок – от нескольких тысяч градусов в хромосфере до миллиона (а, скорее всего, и до двух-трех миллионов) градусов в короне?

Честно говоря, окончательно эта задача не решена и поныне, хотя принципиальные пути ее решения уже давно понятны. Похоже, что высокая температура короны объясняется конвекцией в наружном слое Солнца. В конвективной зоне генерируется огромное количество различных колебаний и волн. Эти волны распространяются вверх, в хромосферу и корону, и переносят туда достаточно большую энергию, которая передается частицам в корональных слоях и сообщает им гигантские скорости. Детали этих процессов нуждаются в подробном изучении, но общая концепция, похоже, правильна. На сегодняшний день это парадигма (основная теория, которой придерживаются большинство ученых). Поскольку в пользу данной идеи говорят множество фактов и не противоречит ни один, скорее всего, эта идея после изучения и уточнения физических механизмов происходящего займет свое место в учебниках и энциклопедиях.

Высокая температура короны приводит к тому, что эти слои интенсивно испускают рентгеновское излучение. Гораздо менее нагретые фотосфера и хромосфера почти не излучают в этом диапазоне, поэтому установленные на спутниках рентгеновские телескопы фиксируют только процессы в короне. Помимо рентгеновского излучения корона испускает радиоизлучение, которое также несет немало информации о внешних областях солнечной атмосферы.

Теперь сделаем еще одну остановку в нашем рассказе о природе Солнца, точнее, о наших представлениях по этому поводу.

У внимательного читателя неизбежно возникает следующий вопрос. Свойства атмосферы Солнца мы можем изучать, анализируя приходящее к нам оттуда излучение. Фигурально выражаясь, атмосферу и то, что там происходит, мы можем наблюдать непосредственно. Но какие основания у нас есть для того, чтобы уверенно говорить о внутреннем строении Солнца? Единственное, что попадает к нам из недр светила, – это поток нейтрино. Но он генерируется в ядре Солнца, т. е. на расстояниях не больше 0,2–0,3 радиуса нашей звезды. Как мы можем проверить наши представления о недрах Солнца на глубинах от фотосферы до границы между ядром и зоной лучистого равновесия? Расчетам теоретиков, основанным на наших знаниях физики, безусловно, можно доверять, но где гарантии, что там не сделаны ошибки? И как проверить правильность построенных математических моделей?

Как мы уже неоднократно убеждались, природа, безусловно, сложна, но к исследователям она в целом благожелательна. На каждом новом этапе исследований выясняется, что контрольный эксперимент все-таки возможен, и выясняются новые физические эффекты, позволяющие получить новую информацию о процессах, которые казались до этого скрытыми навсегда.

Оказалось, что мощные конвективные потоки под фотосферой генерируют шум. Другими словами, в конвективной зоне возникают разнообразные колебания и волны различной природы и с различными частотами. Преимущественно это обычные звуковые (акустические) волны, распространяющиеся в недрах Солнца во всех направлениях. Здесь возникают и так называемые магнитогидродинамические волны, и внутренние гравитационные (подобные волнам на море), и ударные волны. Они могут многократно отражаться от границ раздела сред с разными свойствами – например, от внутренней поверхности фотосферы или от нижней границы конвективной зоны. Иногда реализуется возможность, когда траектория волны оказывается замкнутой. В этом случае может образоваться стоячая волна. К этому приводит интерференция волн – подобно тому, как к возникновению стоячей волны в струне приводит сложение многих бегущих волн.

Эти волны различаются по частоте и амплитуде. Некоторые их типы можно назвать глобальными – они наблюдаются на всем Солнце, некоторые возникают в районе какого-то возмущения вблизи поверхности Солнца, – например, в районе падения на Солнце ядра кометы либо мощного взрыва – солнечной вспышки.

Специальные телескопы, оснащенные спектральной аппаратурой для гелиосейсмологических исследований, в 1970–1980-е годы получили информацию о колебаниях на Солнце. Оказалось, что относительное изменение светимости нашей звезды пропорционально доли изменения радиуса (все Солнце слегка пульсирует!..) и составляет небольшую, но надежно фиксируемую величину порядка 10–5 радиуса. Периоды колебаний лежат в пределах от 3 до 15 минут. Самые большие амплитуды характерны для колебаний с периодами около 5 минут, поэтому весь этот диапазон принято называть пятиминутными колебаниями.

Может ли помочь исследователям регистрация этих волн в непростом деле изучения недр Солнца? Оказывается, может.

Особенности волн, разбегающихся от эпицентра землетрясений, регистрируемые сейсмологами на Земле, позволяют делать выводы о внутреннем строении нашей планеты. Скорость разных типов волн позволяет судить об устройстве, плотности глубоко залегающих пород, делать выводы о том, есть ли в недрах Земли неоднородности, где плотные твердые, а где расплавленные жидкие слои. Волны, проходя по разным типам пород и отражаясь от границ разных сред, меняют свои свойства. По этим свойствам можно судить об особенностях среды, сквозь которую проходили эти волны. А если мы будем фиксировать разные волны, шедшие в разных направлениях по разным траекториям, картина станет все более полной. Грубо говоря, примерно так действуют сейсмологи на Земле. Примерно так же действуют и специалисты по солнечной сейсмологии – гелиосейсмологи.

Но если на Земле мы можем установить множество сейсмографов и регистрировать колебания почвы под воздействием распространяющихся в земной коре волн, то как зарегистрировать колебания на Солнце?

В редких случаях волны, разбегающиеся по поверхности Солнца – например, от места мощной вспышки, – видны непосредственно. Это так называемые волны Моретона. Их наблюдение – редкая удача для наблюдателя. Кроме того, поверхностные волны могут принести не так уж много информации о глубинных слоях.

Оказалось, что волны на Солнце приводят к колебаниям его поверхности на уровне фотосферы. А эти колебания (вверх и вниз, к нам и от нас) можно зафиксировать, регистрируя переменные синие и красные смещения в контурах фраунгоферовых линий. В основе гелиосейсмологии лежит уже известный нам эффект Доплера!

Нужно сказать, что анализ наблюдаемых колебаний достаточно сложен и не всегда однозначен. Тем не менее, гелиосейсмология дала нам много важной информации о недрах Солнца!

Например, именно этот метод позволил определить, на какой глубине залегает нижняя граница конвективной зоны, ниже которой не проникают волны, отражающиеся от этой границы и от слоя температурного минимума в фотосфере. Получается, что, многократно отражаясь между этими уровнями, как в замкнутом резонаторе, волны приобретают информацию о многих свойствах среды между этими поверхностями. Так удалось узнать, что нижняя граница конвективной зоны залегает на глубине около 200 тысяч километров под фотосферой.

Кроме того, была получена зависимость скорости звука от расстояния до центра Солнца. А поскольку уже давно известно, что скорость звука в среде зависит от ее температуры, эти данные помогли уточнить, как изменяется температура по мере погружения в недра Солнца. Температура – один из основных параметров стандартной модели Солнца, поэтому сравнение расчетных (в рамках модели) значений температуры на разной глубине со значениями, которые получены независимым методом гелиосейсмологии, оказалось чрезвычайно полезным для модели.

Многие свойства Солнца зависят от того, как вращается светило на разных глубинах. Гелиосейсмология позволила определить скорость вращения на разных глубинах и на разных широтах, что сразу позволило отбросить некоторые модели как неверные и дало дополнительные подтверждения другим моделям. При этом удалось выяснить, что эффект дифференциальности вращения начинается со дна конвективной зоны! Глубже этого уровня Солнце вращается недифференциально, почти как твердое тело. Метод позволил восстановить траектории крупномасштабных потоков плазмы в недрах конвективной зоны.

Важный вывод – уточнение концентрации гелия на Солнце. Выше было указано, что спектральные методы не позволяют это сделать непосредственно. Но это можно сделать с помощью гелиосейсмологии! Дело в том, что по мере погружения в недра Солнца температура растет (гелиосейсмологи помогли показать, как именно). С ростом температуры увеличивается степень ионизации гелия. Рост давления с глубиной также увеличивает степень ионизации гелия, что, в свою очередь, немного уменьшает упругость вещества. Акустические волны, проходя сквозь эти слои, из-за этого немного меняют свои свойства – скорость звука и частоту. Если зафиксировать этот эффект (что и было сделано!), по его величине можно рассчитать содержание гелия. Оказалось, что оно несколько меньше, чем это предсказывалось ранними вариантами стандартной модели: 23,5–26,5 % по массе вместо 27–29 %.

Таким образом, благодаря гелиосейсмологии был уточнен химический состав Солнца. В поверхностных слоях (в конвективной зоне) доля водорода – примерно 73,2 %, доля гелия – 24,8 %, а доля других элементов – 2 %. Этот состав остается таким же во всей конвективной зоне (здесь вещество активно перемешивается во всей толще). По мере погружения в лучистую зону доля водорода постепенно падает, доля гелия растет. В самом центре Солнца доля водорода падает до 35,5 %! Впрочем, надо заметить, что надежность метода уменьшается по мере приближения к центру светила.

Помимо выяснения многих параметров внутреннего строения Солнца, гелиосейсмология оказалась очень важным критерием для оценки правильности теорий Солнца. Не секрет, что проблема солнечных нейтрино в свое время вызвала к жизни массу альтернативных гипотез о природе светила. Гелиосейсмология, проникая в глубины нашей звезды, сразу отсекла целый ряд идей, которые оказались несовместимыми с полученными данными.

Большой вклад в развитие исследований в области гелиосейсмологии и в привлечение всеобщего внимания к этому методу внесли ученые Крымской астрофизической обсерватории под руководством выдающегося советского гелиофизика, академика Андрея Борисовича Северного (1913–1987).

В 1976 году сотрудники обсерватории, а затем и их коллеги из Бирмингемского университета в Англии опубликовали результаты сенсационных наблюдений обнаруженных глобальных пульсаций Солнца с периодом 160,1 минуты и амплитудой 20 километров. Амплитуда изменений скорости смещения поверхности составила всего около 0,5 м/с. В 1977 году те же колебания зафиксировали в Стэнфордском университете (США). В 1980 году открытие было независимо подтверждено франко-американской экспедицией, проводившей наблюдения в Антарктиде. На протяжении ряда лет колебания непрерывно регистрировались и в Крыму, и в Стэнфорде. Удивительным явлением была поразительная стабильность колебаний: их измеряли несколько лет подряд, были периоды, когда колебания не удавалось обнаружить, потом они возникали снова. Но фаза колебаний сохранялась с высокой точностью, как будто таинственный сверхстабильный генератор раскачивал все Солнце.

Попытка объяснить феномен этих колебаний столкнулась с рядом трудностей. С точки зрения теории, такой период вообще не должен существовать! Исходя из размеров и стандартной модели строения Солнца, чисто радиальные колебания всего светила должны были иметь период не больше 56 минут. Если колебания не радиальны (а наблюдения говорили, что они-таки практически радиальны!), можно было предположить, что они, например, носят квадрупольный характер (то есть сжатие и вытягивание происходит поочередно в двух взаимно перпендикулярных направлениях). Но оценки показали, что для всех физически приемлемых моделей внутреннего строения Солнца период не должен превышать 131 минуты. Кроме того, по всем расчетам, помимо 160-минутного периода должны были наблюдаться целый ряд значимых кратных периодов, но их обнаружить не удалось! Долгопериодные колебания за счет приливных воздействий со стороны, например, других звезд, проходивших вблизи Солнца в прошлом, должны были сравнительно быстро (за миллион лет) затухнуть. Утверждать, что 160 минут – это период стремительного вращения ядра Солнца, было сложно. Слишком велико различие между периодом в 160 минут (2 часа 40 минут) и почти месяцем (период вращения поверхностных слоев Солнца).

Крымские исследователи утверждают, что период 160,01 минуты на Солнце стабильно наблюдался до 1982 года, после чего этот период исчез, уступив место пульсациям с чуть меньшим периодом – 159,97 минуты.

В общем, 160-минутные пульсации Солнца стали серьезной проблемой для гелиофизиков.

Дальнейшие исследования проблемы привели к еще более странным и сенсационным результатам. В 1990-е годы крымский астрофизик В. А. Котов и его московский коллега В. М. Лютый объявили, что подобные колебания яркости удалось обнаружить у множества других космических объектов, помимо Солнца, включая тысячи тесных систем из двойных звезд и даже ядра активных галактик. Был сделан далеко идущий вывод, что 160-минутный период характерен для самых различных объектов во Вселенной, и значит, он отражает какие-то глубинные и фундаментальные свойства самой Вселенной!

Самое непонятное заключалось в следующем. Исследованные галактики находятся на огромных расстояниях от нас. Как известно, наша Вселенная расширяется, и чем дальше какая-либо галактика от нас находится, тем быстрее она от нас удаляется. За счет эффекта Доплера наблюдаемый период колебаний в таких удаленных объектах должен был изменяться в зависимости от расстояния, но этого почему-то не происходит! Крымские астрофизики считают, что причина заключается в неких фундаментальных свойствах Вселенной, к которым мы только сейчас начинаем приближаться на своем пути познания мира.

Крайняя точка зрения, высказывавшаяся в научной печати, заключалась в том, что результаты, полученные основным «рыцарем» гипотезы космологического происхождения 160-минутных пульсаций Валерием Александровичем Котовым, неверны, абсурдны и ошибочны. Другая, более мягкая версия сводится к тому, что феномен 160-минутных колебаний – эффект кажущийся. Точнее говоря, он, видимо, существует, но, скорее всего, порождается не Солнцем и не удаленными космическим объектами. Не исключено, что он возникает либо в используемой аппаратуре, либо на Земле или в окрестностях Земли, накладываясь на все измерения (Солнца и далеких звезд), которые мы производим.

Насколько я могу судить, большинство специалистов, не вникая глубоко в проблему, предполагают (надеется!), что дело именно в этом. Однако конкретный источник такого гипотетического инструментального эффекта на сегодняшний день так и не выяснен.

Таким образом, проблема 160-минутных колебаний остается нерешенной. Общепринятого взгляда по этому поводу не существует. Любопытно, что большинство исследователей предпочитают делать вид, что ее (проблемы) просто нет, надеясь, что все со временем как-то разрешится и выяснится само.

Разумеется, у каждого специалиста есть своя тема, которой он занимается, и негоже бросать собственные исследования, чтобы переключиться на нечто иное (тем более столь сенсационное). Но трудно избавиться от ощущения, что многие просто сторонятся ненадежной тематики, которая, скорее всего, приведет к обнаружению некоего неизвестного аппаратурного эффекта и ничего не добавит к нашим знаниям о Солнце, но может испортить репутацию того, кто прикоснется к сенсационному, а поэтому скандальному направлению исследований.

Лишь крымские астрофизики под руководством В. А. Котова продолжали настойчиво (и мужественно!) исследовать феномен, но делали при этом, как негласно считают многие их коллеги по цеху гелиофизики, слишком уж далеко идущие революционные выводы, противоречащие другим известным нам фактам об устройстве Вселенной.

Подобная ситуация в науке наблюдается не в первый, и, надо думать, не в последний раз. Нет сомнений, что со временем мы узнаем истину, а история открытия, изучения и интерпретации 160-минутных колебаний займет подобающее ей место в книгах по истории астрономии, учебниках и энциклопедиях. Будет ли это история великого открытия или история великого заблуждения, покажет время. Хотелось бы надеяться, что это произойдет скоро.

Возвращаясь к гелиосейсмологии, заметим, что потенциал этого мощного и остроумного метода еще не исчерпан. Повышение чувствительности измерений, а также улучшение технологий обработки данных позволят в будущем уточнять известные и получать новые данные о состоянии недр Солнца.

Лекция восьмая

Солнце: вспышки, пятна и проборы

Освещен розоватым жаром

танцевального зала круг:

места много летящим парам

для кружащихся ног и рук.

Балерины в цветном убранстве

развевают вуалей и газ,

это танец протуберанцев —

C’est la dance protuberances!

Пляшет никель, железо, кальций,

с ускорением в тыщу раз.

– Schneller tanzen, Protuberanzen! —

Все планеты глядят на вас.

Белым пленникам некуда деться,

пляшет солнце на их костях.

Это огненный пляс индейцев

В перьях спектра вокруг костра.

Это с факелом, это с лентой,

и с гитарою для канцон

и спиральный, и турбулентный

в хромосфере встает танцор.

Из-под гранул оркестр как бацнет!

Взрыв за взрывом, за свистом свист:

– These is protuberances dancing! —

Длинноногих танцоров твист.

– Questo danza dei protuberanze! —

Это пляшут под звездный хор

арлекины и оборванцы

с трио газовых Терпсихор.

И затмения диск – с короной

в грамофонном антракте дня,

где летим в пустоту с наклона —

мы с тобой – два клочка огня!

Семен Кирсанов

В начале этой лекции в качестве эпиграфа целиком поставлено замечательное стихотворение Семена Иосифовича Кирсанова. Поэт создал яркий образ одного из ярчайших проявлений так называемой солнечной активности – пляшущих протуберанцев. Протуберанцы – одно (но не единственное) из проявлений удивительного и сложного феномена, который называется солнечная активность.

Что такое солнечная активность? Вопрос нетривиальный. Опыт показывает, что очень мало кто знает, что это такое. Наиболее широко распространено мнение, что солнечная активность – это характеристика общего потока энергии, излучаемого Солнцем. Неоднократно приходилось слышать (и даже читать в газетах!) утверждения типа «Что-то солнечная активность сегодня высокая, поэтому жарко, и загорать опасно…» Сегодня, наверное, каждый слышал, что эта таинственная солнечная активность меняется со временем (бывает повышенной и пониженной). В результате возникает образ Солнца, напоминающего газовую плиту: кто-то подкручивает вентиль – и пламя то увеличивается, то уменьшается.

Все это неверно. В предыдущих лекциях обсуждался вопрос о солнечной постоянной. Повторимся: Солнце излучает энергию довольно стабильно, колебания солнечной постоянной (количества энергии светила, падающего за единицу времени на перпендикулярную лучам Солнца единичную площадку на орбите Земли) не превышают долей процента. Если вспомнить, что Земля движется по слабо вытянутому эллипсу, мы должны понимать, что за счет этого эффекта общий поток солнечной энергии, падающей на Землю, меняется гораздо более существенно – в пределах 7 %! Больше всего солнечной энергии приходит к нам в январе (мы ближе всего к Солнцу), но в северном полушарии в это время зима. Можно только предположить, что эллиптичность орбиты нашей планеты приводит к некоторому потеплению зимы в северном полушарии и лета в полушарии южном. Но система атмосферной (воздушных масс) и океанской (морских течений) циркуляции, а также асимметрия суши Земли по полушариям (основная площадь континентов расположена к северу от экватора) порождает сложные процессы перераспределения тепла по поверхности планеты. В итоге упомянутый эффект оказывается не очень ощутимым. Что же тогда говорить о колебаниях общего потока энергии Солнца, амплитуда которых почти в десять раз меньше!

Все, что описано выше в этой книге, происходит на Солнце всегда. Миллиардами лет бушуют термоядерные реакции в ядре светила. Миллионами лет выделившаяся энергия просачивается наружу, сквозь гигантскую толщу раскаленной плазмы. В наружных слоях нашей звезды вещество всплывает к поверхности, а затем, остывая, погружается обратно в недра, участвуя в постоянном конвективном круговороте. Конвекция резко прекращается на видимой поверхности светила, выше которой простирается многослойная прозрачная атмосфера, постепенно сходящая на нет на огромных расстояниях от Солнца.

Эдвард Гибсон (род. 1936), известный американский гелиофизик и астронавт, проводивший наблюдения Солнца на борту орбитальной станции Skylab, назвал свою книгу о светиле «Спокойное Солнце». Его книга посвящена тому, что происходит на Солнце везде и всегда. Эти процессы непросты, но, с другой стороны, не столь уж сложны для понимания и описания. Именно это, видимо, имел в виду английский астрофизик сэр Артур Эддингтон (1882–1944), однажды заявивший, что нет ничего более простого, чем звезда. Самая простая модель невращающейся звезды с математической точки зрения одномерна: все параметры меняются только вдоль радиуса, а в поперечных направлениях (на каждом концентрическом шаровом слое) все и всегда абсолютно одинаково.

В который раз природа показала, что все оказывается гораздо сложнее, чем можно было себе вообразить. То, что одномерные модели нельзя абсолютизировать, стало подспудно ясно уже 400 лет назад, когда было открыто вращение Солнца. Точки на разных широтах оказались неодинаковыми, поскольку вращаются с разными скоростями. И на поверхности, и в недрах (в конвективной зоне) можно выделить слои, которые проворачиваются друг относительно друга. Нетрудно догадаться, что этот феномен должен порождать какие-то новые процессы и явления в недрах и на поверхности Солнца.

Одно из наиболее важных явлений на Солнце – его магнетизм. Еще из курса средней школы мы должны помнить, что направленное движение заряженных частиц есть электрический ток, а ток всегда порождает магнитное поле. Если вспомнить, что Солнце состоит из плазмы, то есть заряженных частиц, и что в недрах происходят движения, становится ясно, что магнитные поля в соответствии с законами природы должны там появляться обязательно.

Законы природы исключений не допускают: Солнце оказалось магнитной звездой. Если движения потоков плазмы за счет вращения Солнца происходят на звезде в разных местах по-разному, то разными в разных местах должны быть и магнитные поля. Сочетание двух эффектов – дифференциального вращения Солнца и генерации магнитных полей в его недрах – приводит к новому сложнейшему феномену, имя которому – солнечная активность.

Оказалось (ниже мы еще вернемся к этому вопросу), что явления и процессы солнечной активности принципиально непостоянны: они возникают, исчезают, сменяют друг друга, повторяются по определенному закону. На фоне постоянного, сравнительно стабильного существования «спокойного» Солнца на светиле возникают бурные, относительно кратковременные проявления солнечной активности. Можно определить солнечную активность как все то, что меняется со временем на Солнце, как нестационарные процессы и явления, протекающие на фоне явлений и процессов спокойного Солнца.

Гелиофизики давно изучают эти проявления. Их очень много, они чрезвычайно разнообразны. Одно перечисление заняло бы немало места. Познакомимся с основными из них.

В ряду разных видов солнечной активности солнечные пятна, конечно же, стоят на первом месте. Об истории их открытия и первых исследованиях уже говорилось в предыдущих главах.

Пятна выглядят действительно адекватно своему названию. Это темные пятна на сияющей поверхности фотосферы. Они сильно различаются по размерам – от габаритов одной или нескольких гранул (1–5 тысяч километров) до гигантских образований диаметром в десятки тысяч километров (нередко существенно больше размеров Земли). Типичное крупное пятно имеет темную тень в центре, окруженную более светлой широкой каемкой – полутенью. Наблюдения с высоким разрешением позволили разглядеть в полутени радиально направленные, перемежающиеся темные и светлые волокна. Бывает, что в пределах одной протяженной полутени наблюдаются несколько отдельных темных фрагментов тени, не соединенных между собой.

Рис. 16. Солнечное пятно на фоне фотосферной грануляции

Спектральные исследования пятен позволяют сделать следующие выводы. Известно, что контраст относительно темных пятен по сравнению с яркой фотосферой объясняется пониженной температурой в пятне. Если в невозмущенной фотосфере температура приближается к 6 тысячам градусов, то пятно обычно бывает прохладнее на 1,5–2,5 тысячи градусов. Менее прогретое (по сравнению с окружающим фоном) пятно излучает меньше и поэтому кажется более темным.

Считается, что пониженная температура пятен связана с наличием в них сильных магнитных полей, которые подавляют конвекцию в пятне и препятствуют выходу энергии на поверхность. Обычно магнитное поле характеризуется параметром, который называется напряженность поля. Определить этот параметр в пятнах можно по эффекту Зеемана: расщепление линий в спектре Солнца пропорционально напряженности магнитного поля.

Нужно сказать, что измерение солнечных магнитных полей – задача очень непростая. В результат измерений вносят свой вклад множество факторов, включая свойства измерительного прибора (магнитографа). Корректный учет возможных ошибок требует значительных усилий и высокой квалификации исследователей. С учетом мировой практики за последние полвека, тем не менее, можно утверждать, что основные закономерности магнитной структуры пятен, видимо, уже изучены и известны. Самые мощные пятна обладают полями с напряженностью в несколько тысяч эрстед (напомним для сравнения, что магнитное поле Земли вблизи ее поверхности составляет примерно 0,5 эрстед). Впрочем, можно заметить, что напряженность поля, создаваемого школьным магнитом, сопоставима с полем солнечного пятна. Другое дело, что пятно, конечно, совершенно несравнимо с магнитом по общему магнитному потоку (напряженность поля, умноженная на площадь, занимаемую полем) – магнитный поток даже небольшого солнечного пятна очень велик.

Пятно можно представить как наблюдаемое на фотосферном уровне сечение мощной трубки силовых линий магнитного поля, которые в виде толстого снопа (возможно, даже слегка закрученного) выходят из-под фотосферы в верхнюю атмосферу Солнца. Если в области тени пятна поле почти вертикально (направлено вдоль радиуса Солнца), то в полутени, по мере удаления от центра пятна, поле отклоняется от центра пятна наружу, и на внешней границе полутени расположено уже почти горизонтально. Потоки вещества движутся вдоль волокон полутени (эффект Эвершеда).

Еще Галилей обнаружил, что пятна, как правило, по одному не появляются. С тех времен существует понятие группы пятен. Группы пятен чрезвычайно разнообразны по своей сложности, насчитывая порой до нескольких десятков пятен разных размеров, объединенных в одну систему.

Многолетние наблюдения показали, что группы пятен разнообразны еще и по суммарной площади. Принято определять площадь в так называемых миллионных долях полусферы (1 м. д. п. – чуть больше трех миллионов квадратных километров). Большинство групп пятен (более 85 %) сравнительно невелики, имея площадь не больше 250 м. д. п. (около полутора поверхностей Земли). Однако есть и примеры групп пятен гигантских площадей – в десять раз больше! Такие группы пятен можно увидеть на Солнце даже без телескопа (конечно, если смотреть сквозь природный или искусственный фильтр).

Кроме того, можно констатировать, что группы пятен – как правило, короткоживущие образования. К середине ХХ века на большом статистическом материале было показано, что зависимость количества групп пятен от продолжительности их жизни носит почти экспоненциальный характер: долгоживущих мало, короткоживущих много. Более 50 % всех наблюдаемых групп пятен существуют меньше двух дней, 90 % – меньше 11 суток. Только отдельные группы пятен могут существовать до нескольких месяцев. Поэтому, например, большой интерес исследователей вызвала группа пятен, наблюдавшаяся в конце 2006 – начале 2007 года. Одно крупное пятно, сопровождаемое эскортом из более мелких пятен, существовало почти пять месяцев! Такие случаи крайне редки.

Магнитное поле группы пятен в простейшем случае представляет собой биполярную структуру из двух пятен: одно (головное) пятно одного знака магнитного поля, второе (хвостовое) – противоположного знака. Ранее теория утверждала (а сейчас это подтверждено прямыми наблюдениями со спутников), что силовые линии магнитного поля такой группы пятен образуют огромную петлю, или арку, поднимающуюся высоко в корону. Головное и хвостовое пятна – это основания такой магнитной петли.

Простая (идеальная) биполярная структура группы пятен – редкость. В большинстве случаев пятен различной полярности в группе много (магнитный поток раздроблен на отдельные пучки силовых линий). При этом пятна разных полярностей иногда бывают перепутаны сложным образом. Самые удивительные случаи бывают, когда в одном пятне внутри полутени могут оказаться рядом фрагменты тени различной магнитной полярности! Разработка теории столь сложных топологий сильных магнитных полей сталкивается с рядом трудностей. Тем не менее, такие пятна – не выдумка, они явно существуют (это так называемая дельта-конфигурация в магнитной классификации пятен).

И еще об одном свойстве солнечных пятен, которое, впрочем, уже упоминалось. Группы возникают далеко не на всей поверхности Солнца, а только в пределах полосы, простирающейся не более чем на 30–35 градусов по обе стороны от солнечного экватора. Шейнер назвал эту полосу королевской зоной, это название используется и сегодня.

В недрах Солнца вещество ионизовано, следовательно, электрическая проводимость там очень велика. Хорошо известное физикам явление самоиндукции в этих условиях должно препятствовать быстрым изменениям магнитного поля. Это означает, что поля пятен напряженностью в тысячи эрстед не могут ни быстро возникать, ни быстро исчезать. Известно, что магнитные поля формируются не на поверхности, а глубоко в недрах Солнца. Впрочем, есть основания полагать, что мы сталкиваемся с разными популяциями пятен, зарождающихся на разных глубинах. Здесь жгуты из переплетенных магнитных силовых линий. Внутри этих жгутов (гелиофизики называют их трубками) появляется дополнительное давление, создаваемое магнитным полем. В результате возникает новое и очень важное свойство магнитной плавучести: трубка, содержащая поле, расширяется и всплывает к поверхности Солнца. В результате магнитная структура появляется на уровне фотосферы уже «готовой», сформированной в глубине конвективной зоны.

На сегодняшний день эта уже давно принятая большинством гелиофизиков модель получила прямые подтверждения с помощью метода гелиосейсмологии. Так, в октябре 2003 года на Солнце почти одновременно и недалеко друг от друга возникли три гигантские группы пятен. Регистрация колебаний Солнца с помощью космического аппарата SOHO позволила зафиксировать огромную неоднородность в форме петли, всплывающей из недр конвективной зоны к поверхности. Когда верхушка всплывающей петли достигла фотосферы, здесь начали появляться быстро растущие пятна.

Как правило, солнечные пятна окружены обширными полями так называемых факелов, также обнаруженных в первых телескопических наблюдениях четыре столетия назад. Они выглядят как яркие (ярче фотосферы!) образования в виде множества ярких точек с характерным размером гранулы (1–1,5 тысячи километров). Отдельные факельные гранулы выстраиваются в цепочки, которые демонстрируют своеобразную ячеистую структуру с характерным размером супергранулы (30–40 тысяч километров).

Измерять магнитные поля факелов сложно, поскольку выяснилось, что здесь напряженность поля гораздо меньше, чем в пятнах, и расщепление спектральных линий незначительно. Типичные значения для напряженности поля факелов – десятки и сотни эрстед. Если поле окажется больше (порядка тысячи эрстед), среди факелов может возникнуть темная деталь зарождающегося пятна.

У факелов есть очень интересное свойство. Они хорошо выделяются на краю Солнца, но когда Солнце поворачивается и факельное поле оказывается вблизи центра диска, контраст факельных гранул падает до обычного уровня обыкновенных гранул, и различить их становится невозможно.

Объяснить это странное явление можно следующим образом. Если представить себе, что факельные гранулы приподняты над фотосферой (над обычными гранулами) и часть энергии излучается «вбок», из боковых стенок конвективного элемента, то увидеть это излучение можно только глядя сбоку – например, когда наш взгляд падает не радиально к Солнцу, а почти по касательной к солнечному шару. Это и происходит при наблюдениях факелов вблизи видимого края диска светила. Об этой идее еще в 1979 году автору рассказал руководитель его дипломной работы, отечественный гелиофизик Эдвард Владимирович Кононович (1931–2017). Так оно и оказалось…

Откуда берется дополнительная энергия факелов? Можно вспомнить, что в пятнах наблюдается дефицит излучаемой энергии. Но энергии, поступающей снизу, из недр Солнца, нужно куда-то деваться, и если ее меньше выйдет на поверхность в пятнах, то ее должно больше выйти вокруг пятен – в факелах!

Кроме того, слабое магнитное поле факелов (оно здесь преимущественно вертикальное) препятствует движениям в поперечном (горизонтальном) направлении. Это облегчает конвекцию, и конвективные потоки в факелах прорываются несколько выше, чем в зоне обычной грануляции.

Факелы – довольно устойчивые образования. Они могут существовать многие недели и месяцы. Обычно факельная площадка возникает до появления пятен, ее площадь увеличивается. Когда среди факелов возникают первые пятна, вокруг формируется обширное факельное поле, которое долго (пару месяцев) существует после исчезновения последних пятен. По внешнему виду факелов опытный наблюдатель может оценить их возраст: со временем плавно меняются контраст факелов и их общая структура.

Рис. 17. Пятно на краю солнечного диска в окружении ярких факелов

Пятна и факелы на фоне вездесущей грануляции – это практически все проявления солнечной активности, которые можно увидеть на уровне фотосферы без специальных фильтров. (Впрочем, есть еще один тип факелов, не связанных с пятнами, – это так называемые полярные факелы, которые возникают на высоких широтах за пределами королевских зон и выглядят как отдельные яркие точки.)

С наблюдений именно этих двух типов образований (пятен и факелов) начался мониторинг солнечной активности, который ведется с перерывами уже почти четыре столетия. Но если мы будем подниматься над фотосферой и попытаемся исследовать области хромосферы и короны с помощью спектральных методов и специальных фильтров, мы неожиданно обнаружим гораздо более богатую и разнообразную картину, которая обычно остается незаметной!

Наблюдать хромосферные и корональные проявления солнечной активности трудно. Плотность плазмы там, как сказано выше, чрезвычайно мала, и эти слои практически прозрачны. Если убрать яркий свет, который идет снизу, от фотосферы, и оставить только слабый свет в каком-нибудь очень узком спектральном диапазоне (шириной порядка ширины спектральной линии), тогда есть шанс увидеть структуры хромосферы и короны, которые излучают именно на этой длине волны.

Это можно сделать с помощью спектрогелиографа, как когда-то делал Хэйл (для этого надо просканировать все изображение Солнца с помощью спектрографа и построить изображение диска Солнца в лучах выбранной линии). Гораздо удобнее это делать с помощью уже упоминавшихся выше ИПФ – интерференционно-поляризационных фильтров, пропускающих свет в чрезвычайно узком спектральном диапазоне (например, в свете линии водорода Н-альфа). В последнее время могут использоваться более простые и дешевые интерференционные фильтры, ширина полосы пропускания которых приближается к параметрам ИПФ. Они тоже позволяют наблюдать хромосферу Солнца в линии водорода.

Картина в свете водорода (это основной элемент на Солнце!) выглядит ошеломляюще. Мы получаем возможность проанализировать новый, более высокий срез солнечной атмосферы, расположенный примерно в 1200–1700 километрах над фотосферой.

Первое, что бросается в глаза, – это пятна. В хромосфере они тоже видны, но хуже, чем в фотосфере. Обычно хорошо просматриваются темные тени пятен, а вот полутени выглядят уже по-другому. Дело в том, что хромосфера, в отличие от фотосферы, значительно сильнее ионизована. Здесь работает главный закон плазмы – вмороженность магнитного поля в вещество. Это означает, что вещество может двигаться только вдоль силовых линий магнитного поля, и струи плазмы будут ориентироваться вдоль поля так же, как железные опилки в школьном опыте с магнитом.

На фильтрограммах (изображениях хромосферы, сфотографированных сквозь узкополосные фильтры) видно, что волокна полутени продолжаются далеко за пределы пятна, переходя в так называемую суперполутень, или системы квазигоризонтальных волоконец (фибрилл). В результате группа пятен оказывается охваченной обширными областями возмущенной хромосферы, где видны изгибающиеся «потоки» фибрилл. Именно эта картина, впервые увиденная Хэйлом, привела его к догадке об игре магнитных полей. Важно не забывать, что называемые «волоконцами» или «фибриллами» структуры имеют гигантские по земным меркам размеры: при толщине полторы-две тысячи километров они имеют длину порядка 30 тысяч километров, а в ряде случаев и больше! Это сформированные магнитными полями изогнутые трубки, вдоль которых непрерывно течет солнечная плазма.

Над факелами в хромосфере тоже наблюдаются яркие образования. Здесь, на хромосферном уровне, они называются флоккулами. Яркие области флоккулов представляют собой своеобразные «навершия» факелов – при наложении снимков фотосферы и более высокого слоя хромосферы зоны расположения факелов и флоккулов совпадают. Но, в отличие от факелов, флоккулы великолепно видны не только на краю Солнца, но и во всей королевской зоне!

Снимки с хорошим качеством позволяют обнаружить важную закономерность флоккулов. Их яркие узелки располагаются в основном на стыках ячеек супергрануляционной сетки – они обрисовывают границы поднимающихся конвективных потоков второго характерного размера (мы уже упоминали, что размер супергранулы составляет 30–40 тысяч километров). На этих высотах конвекции уже нет, но структура конвективных ячеек сохраняется: именно на границах, и особенно на стыках нескольких супергранул, концентрируются вертикальные магнитные поля. Если магнитное поле усилено, то яркое свечение может занимать всю границу супергрануляционной сетки, а то и внутреннюю часть ячейки. В таких случаях образуется флоккул. Опытный взгляд наблюдателя может сразу определить по внешнему виду флоккулов, где поле сильнее, а где слабее, и даже оценить его напряженность по внешнему виду.

Продолжительность жизни флоккулов совпадает с таковой для факелов, что вполне естественно: это по сути одно и то же, только на разной высоте. Есть основания полагать, что плотность вещества в флоккулах в три-пять раз выше, чем в окружающей их хромосфере при той же (или чуть повышенной) температуре. Таким образом, можно сказать, что флоккулы – это устойчивые и долгоживущие хромосферные конденсации плазмы над факелами, порождаемые магнитными полями. Их ячеистая структура определяется конвекцией. Они наблюдаются не только в свете линий водорода, но и в свете линии кальция II. Кальциевые флоккулы в основном совпадают с водородными, но несколько отличаются по виду: они более контрастны по отношению к невозмущенной хромосфере, но зато и более «размытые» – в лучах кальция не видно таких тонких деталей, как в лучах водорода.

Помимо флоккулов и фибрилл, в хромосфере Солнца наблюдаются так называемые протуберанцы.

А на Солнце в восьми световых минутах

Вздымался протуберанец – пятьсот мегаметров.

Изгибался дугой, изящно загнутой,

Постреливал сгустками солнечного ветра.

И на всех частотах, на весь наш мир,

(Приемник зашкалило так, что не вынести),

Модулируя потоки, выдал в эфир:

«Привет вам, исследователи солнечной активности!»

В этом фрагменте шуточного стихотворения Сергея Мансурова, посвященного одному из отечественных исследователей протуберанцев – Владимиру Спиридоновичу Башкирцеву, упоминаются некоторые свойства этих удивительных солнечных образований. Это относительно плотные и не столь нагретые (по сравнению с окружающей их плазмой) облака плазмы, вздымающиеся в хромосферу и корону. Протуберанцы чрезвычайно разнообразны по форме. Первые классификации протуберанцев по внешнему виду насчитывали множество типов, классов и подклассов (например, «изгородь», «дерево» и т. д.). Так всегда бывает в науке, когда ее интерес привлекает какой-либо новый объект изучения.

В наше время классификация протуберанцев (как, например, классификация типов кометных хвостов!) выглядит неактуальной. Исследования этих плазменных облаков в атмосфере Солнца позволили в основном разобраться в их природе, и мы теперь понимаем, что кажущееся многообразие форм протуберанцев – это проявление отчасти разных ракурсов наблюдений, отчасти разных условий, в которых сформировались эти образования.

В древности увидеть протуберанцы можно было только во время солнечных затмений, когда из-за черного диска загораживающей Солнце Луны иногда были видны торчащие красно-розовые выступы самой разнообразной формы. Появление спектрогелиографов, а позднее ИПФ позволили наблюдать протуберанцы, поднимающиеся над краем (лимбом) Солнца, хоть каждый день – была бы хорошая погода!

В большинстве случаев протуберанцы бывают длинные и плоские. Они напоминают вырезанные из бумаги фигурки, расположенные вертикально над поверхностью стола. Разница, конечно, в размерах: длина протуберанцев может достигать многих сотен тысяч километров, высота – многих десятков тысяч километров. Впрочем, съемки Солнца в коротковолновом диапазоне показывают, что бывают и гигантские структуры, поднимающиеся на 500–700 тысяч километров над фотосферой и хромосферой!

На краю Солнца, как уже было сказано, протуберанцы видны в виде выступов над лимбом. Но и на фоне солнечного диска протуберанцы тоже прекрасно видны (конечно, через узкополосные фильтры)! Поскольку вещество в протуберанцах плотнее и холоднее, чем окружающая их хромосфера, на диске Солнца они выглядят как длинные и узкие темные полосы – так называемые волокна (филаменты). Иногда в некачественных СМИ появляются сенсационные сообщения о так называемых «трещинах» на Солнце. (Какие могут быть трещины в газовом шаре?..) Именно протуберанцы на фоне Солнца (волокна) напоминают по внешнему виду длинные темные трещины… (См. иллюстрацию на вклейке.)

Что позволяет относительно холодной и плотной плазме подолгу «висеть» в солнечной атмосфере? Во-первых, плазма тут на самом деле не «висит». В протуберанце постоянно происходит движение вещества, которое «втекает и вытекает», подобно струе воды, текущей по шлангу, и постоянным остается только общий контур, «скелет» протуберанца, который, впрочем, тоже медленно (а иногда и быстро) изменяется.

Во-вторых, конечно же, все здесь снова управляется магнитным полем. Именно силовые линии поля, подобно упомянутому скелету, поддерживают потоки плотной плазмы, экранируют ее от менее плотной, но более нагретой окружающей среды.

Наблюдения протуберанцев (точнее, волокон, что то же самое, но не на краю, а на диске Солнца) в сравнении с магнитограммами показывают, что они располагаются точно на границах областей с разным знаком магнитного поля (на линии раздела полярностей). Это позволило американскому гелиофизику П. Мак-Интошу предложить идею «хромосферного магнитографа». Опытный исследователь по внешнему виду хромосферы, изрезанному темными полосками волокон, может уверенно определять структуру магнитного поля, положение линий раздела полярностей и даже знаки поля в каждой области, не обращаясь к инструментальным измерениям с магнитографами.

Высота и форма волокон зависят от окружающих магнитных полей. Вблизи группы пятен волокно (протуберанец) выглядит компактным, низким (не выше 5 тысяч километров). Выходя за пределы области сильных магнитных полей, протуберанец становится более высоким, сложноструктурным; в нем наблюдаются многочисленные сгущения, пряди, отдельные арки. Протуберанец может вздыматься над поверхностью Солнца очень высоко – на 50–70 тысяч километров и выше!

В 1984 году автору посчастливилось наблюдать великолепный образец «спокойного» протуберанца длиной почти 800 тысяч километров! Его западный конец, находившийся в зоне флоккулов, где еще недавно развивалась мощная группа пятен, выглядел как низкое и компактное волокно. На восточном конце, загибающемся в сторону северного полюса Солнца, высота волокна достигла 70 тысяч километров, поднимаясь в корону. И это далеко не предел для протуберанцев….

Иногда протуберанцы взрываются, и их вещество стремительно выбрасывается вверх от Солнца. Такие «внезапные исчезновения» протуберанцев обеспечиваются энергией, накапливающейся в их магнитном поле.

Теперь перейдем к наиболее впечатляющим проявлениям солнечной активности. Речь идет о солнечных вспышках и, как правило, связанных ними выбросах коронального вещества.

Иногда над линиями раздела магнитных полярностей в области сильных магнитных полей (другими словами, вблизи групп солнечных пятен и флоккулов) происходит взрывообразное выделение гигантских порций энергии. Солнечная вспышка видна в хромосфере, в свете хромосферных линий, как быстро развивающееся уярчение. Буквально на глазах небольшие яркие точки разрастаются в две так называемые вспышечные ленты, которые вытягиваются вдоль линии раздела полярностей по обе стороны от нее. Размеры ярко светящейся области вспышки достигают десятков тысяч километров!

Рис. 18. Схема солнечной вспышки. С обеих сторон от волокна активной области, лежащего на границе зон разной магнитной полярности, возникают две яркие ленты – цепочки оснований магнитных петель. Часть волокна может быть выброшена вверх электромагнитными силами во время вспышки

Вспышка может «гореть» от нескольких минут до (в редких случаях) полутора-двух часов! Источник энергии вспышки – снова магнитное поле. Часть энергии превращается в тепло, и плазма, судя по спектральным измерениям, нагревается здесь до десятков миллионов градусов.

Самые мощные вспышки видны не только в свете хромосферных линий, но и в белом свете. Впервые такое событие 1 сентября 1859 года наблюдал английский астроном Ричард Христофор Кэррингтон (1826–1875). Рассматривая в телескоп солнечные пятна, он вдруг увидел, что возле самой крупной группы пятен ослепительно засиял яркий свет. Кэррингтон решил, что это прямой свет Солнца проникает сквозь какое-то отверстие (трещину) в фильтре. Убедившись, что дело не в этом, он следил, как развивается (меняет форму и яркость) зона необычного свечения, пока спустя пять минут она не исчезла совсем.

Одновременно процесс наблюдал другой английский астроном Ходжсон, который полностью подтвердил сообщение Кэррингтона. Согласно описанию Ходжсона, вспышка выглядела «как крайне блестящий светоч, гораздо более яркий, чем вся поверхность Солнца», совершенно ослеплявший глаза даже через темное стекло.

По-видимому, английским астрономам крупно повезло. Современные оценки таковы: вспышки, сопоставимые по мощности с событием Кэррингтона, происходят нечасто – примерно раз в 500 лет. На всей Земле нашлись только два астронома, которые непосредственно зафиксировали это редчайшее явление…

Белые вспышки нечасты – не больше одного-двух событий за 10 лет, и речь идет, конечно, о событиях меньшей (по сравнению с кэррингтоновской вспышкой) мощности. Громадное большинство вспышек сопровождается меньшим энерговыделением и в белом свете не видны. Однако даже «обычные» вспышки поражают воображение. Выделяющаяся во вспышках энергия соответствует огромной величине – порядка 10^21–10^25 джоулей. Это соответствует одновременному взрыву примерно двух миллионов миллиардов тонн тротила или двух миллиардов водородных бомб с тротиловым эквивалентом в одну мегатонну! Подобное событие на Земле уничтожило бы всю жизнь на ее поверхности.

Нагрев плазмы приводит к генерации мощного потока электромагнитного излучения из области вспышки. Отсюда исходит поток рентгеновского и ультрафиолетового излучений, в отдельных случаях испускаются даже гамма-лучи. Область вспышки интенсивно излучает и в радиодиапазоне.

Интенсивность коротковолнового излучения Солнца во время вспышки может возрастать в сотни раз! Другое дело, что, например, на ультрафиолетовое излучение в общем потоке солнечной энергии падает незначительная часть. Поэтому даже вспышечное увеличение ультрафиолетового излучения почти не оказывает влияния на общее изменение солнечной постоянной: суммарный поток энергии от Солнца практически не меняется даже во время мощных вспышек.

Часть выделившейся энергии вспышки идет на ускорение облаков плазмы, выбрасываемых в космическое пространство, часть – на ускорение отдельных частиц до высоких скоростей. В итоге электроны и протоны во вспышке могут также выбрасываться в огромном количестве в околосолнечное пространство. Через восемь с половиной минут вспышечное электромагнитное излучение, распространяющееся со скоростью света, достигает Земли. Примерно через сутки-двое до нашей планеты долетают потоки энергичных протонов (в отдельных случаях это происходит за несколько часов). Что происходит при этом на Земле, обсуждается в следующей главе этой книги.

Вспышки бывают существенно разными. По занимаемой на хромосфере площади они подразделяются на несколько оптических классов: субвспышки (самые слабые и небольшие по размерам, продолжающиеся несколько минут), вспышки 1, 2 и 3-го классов (возрастающей площади). Иногда наблюдаются единичные вспышки 4-го класса – самые грандиозные по размерам, длящиеся 1,5–2 часа и даже дольше. За 10 лет только на обращенной к Земле полусфере Солнца наблюдается порядка 10 тысяч вспышек всех классов. Естественно, слабых бывает больше всего, а наиболее мощные – редки.

На сегодняшний день гелиофизики предпочитают использовать для характеристики мощных вспышек специальную классификацию, основанную на интенсивности рентгеновского излучения, присваивая вспышкам классы С, М и Х. Каждый из этих классов делится на 10 подклассов. Самые мощные вспышки по этой шкале – это Х9, но уже неоднократно наблюдались вспышки, значительно более мощные. Их мощность трудно оценить, поскольку все использовавшиеся приборы на спутниках просто зашкаливало…

Пожалуй, вспышки – один из наиболее интересных процессов на Солнце. Грандиозные и быстрые изменения, происходящие буквально на глазах наблюдателя, поражают воображение. Процессы настолько сложны и динамичны, что даже современные модели вспышек описывают лишь наиболее существенные их особенности. Множество разнообразных деталей этих явлений еще требуют объяснений.

Итак, мы рассмотрели основные проявления (типы солнечной активности – пятна, факелы, протуберанцы и вспышки). Пятна и факелы хорошо видны в фотосфере (факелы – только вдали от центра солнечного диска). В хромосфере, в более высоких слоях солнечной атмосферы пятна видны хуже (они теряются в сложной тонкой структуре хромосферы, зато хорошо наблюдаются хромосферные навершия факелов – флоккулы. Кроме того, в хромосфере наблюдаются разнообразные протуберанцы. Все это – сравнительно долгоживущие образования, которые могут существовать на Солнце дни, недели и даже месяцы. Вспышки также видны в хромосфере, и это относительно непродолжительные события, длящиеся минуты (десятки минут). Крайне редко они бывают видны и в фотосфере как очень яркие области (белые вспышки).

Как было указано в предыдущих лекциях, над хромосферой простирается еще один слой атмосферы Солнца – корона. Оказывается, специфические проявления солнечной активности наблюдаются и здесь.

Наблюдения, выполненные во время отдельных кратковременных подъемов аппаратуры на ракетах за пределы атмосферы Земли в 1960-е годы, а затем по время наблюдений Солнца с борта американской пилотируемой орбитальной станции Skylab в 1973–1974 годах, позволили изучать Солнце в диапазоне коротких волн – в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах. В этих лучах видны образования на корональных высотах. Позднее на вахту заступили новые космические аппараты: отечественные «Коронасы», японский YOKO, американо-европейский SOHO, пара американских аппаратов STEREO, американская «Обсерватория космической динамики» SDO и другие. Эти аппараты позволили обеспечить в последние десятилетия непрерывный мониторинг процессов в солнечной короне. Разумеется, было сделано множество открытий!

Над группами пятен, а иногда и над яркими флоккулами в короне обнаружились целые системы поднимающихся на огромную высоту ярких трубок в виде петель, совпадающих с направлением магнитного поля. Трубки заполнены горячей корональной плазмой, нагретой до двух миллионов градусов. То, что исследователи только ранее предполагали, получая в виде результатов расчетов, теперь стало наглядно видно на рентгеновских снимках!

Рядом с этими яркими образованиями нередко видны обширные темные (в рентгеновских лучах) области. Они получили название корональных дыр. Удивительно то, что в нижних слоях солнечной атмосферы – хромосфере и тем более фотосфере – в видимых лучах не видно никаких структур, которые были бы связаны с корональными дырами. Сопоставление изображений дыр и магнитограмм позволило выдвинуть гипотезу, что здесь силовые линии магнитного поля не образуют замкнутых петель, а уходят в радиальном направлении далеко от Солнца. В магнитном отношении область корональной дыры выглядит не биполярной, а униполярной! Такую структуру поля гелиофизики называют «открытой».

Судя по всему, корональные дыры – это и есть таинственные М-области на Солнце, откуда истекают открытые в середине ХХ века высокоскоростные потоки так называемого солнечного ветра (заряженных частиц солнечного вещества).

Измерения на спутниках и межпланетных космических аппаратах показали, что солнечный ветер, в котором присутствуют в основном протоны (ядра атомов водорода), электроны, а также альфа-частицы (ядра атомов гелия), «дует» от Солнца непрерывно. Вблизи Земли скорость этого потока (конечно же, очень низкой плотности – меньше 10 частиц в кубическом сантиметре) составляет 300–400 км/с. Солнечный ветер можно считать динамическим расширением короны Солнца. Он взаимодействует с хвостами комет, и, изучая эти процессы, можно оценить плотность и скорость солнечного ветра на различных расстояниях от Солнца. Есть основания полагать, что солнечный ветер заметен даже на чудовищных расстояниях от Солнца – в 100 раз превышающих расстояние от Солнца до Земли. Таким образом, утверждение некоторых гелиофизиков о том, что мы живем в короне Солнца, не так уж далеко от истины!

Возвращаясь к корональным дырам, заметим, что скорость потоков плазмы, истекающих из этих особых областей «открытого» магнитного поля, почти вдвое выше, чем у «обычного» солнечного ветра. Эти потоки называются высокоскоростными: вблизи орбиты Земли частицы, принадлежащие этим потокам, летят с громадными скоростями в 600–800 км/с.

Уже неоднократно упоминавшееся выше явление вмороженности магнитного поля в плазму приводит к тому, что солнечный ветер уносит с собой и корональное магнитное поле. В итоге во всем объеме Солнечной системы образуется так называемое межпланетное магнитное поле. Вследствие вращения Солнца линии этого поля закручиваются в огромную спираль.

Но если солнечный ветер можно считать свойством «спокойного Солнца» – он «дует» всегда, то корональные дыры – возникающие, меняющие свою форму и в конце концов исчезающие – следует отнести к еще одному типу проявлений солнечной активности. Ускоряющиеся в корональных дырах потоки плазмы, как уже сказано, порождают так называемый высокоскоростной солнечный ветер – продукт деятельности корональных дыр. Речь идет о корональных дырах, возникающих на низких широтах – до 50 градусов. На полюсах Солнца также периодически возникают особые корональные дыры.

Физика корональных дыр продолжает изучаться. Здесь остается много неясного. Например, даже базовая модель корональной дыры как области открытого магнитного поля, видимо, работает не всегда. Исследования крымских гелиофизиков под руководством Натальи Николаевны Степанян показали, что и в пределах корональных дыр иногда встречаются области «замкнутого» магнитного поля…

Есть еще один тип интересных структур в короне, которые наблюдаются в рентгеновском диапазоне. Это так называемые яркие рентгеновские точки: сотни областей размером в несколько тысяч километров (с земной шар!), разбросанные по солнечной поверхности, которые светятся в течение 8–10 часов и иногда ярко вспыхивают на одну-две минуты.

Упомянем еще об одном типе солнечной активности, открытом сравнительно недавно – с появлением исследовательской аппаратуры на спутниках. Оказалось, что Солнце регулярно извергает в пространство колоссальные облака плазмы массой до 10 миллиардов тонн! Эти облака в виде гигантских петель, раздувающихся до размеров, превышающих диаметр самого Солнца, со скоростями от 800 до 1500 км/с распространяются через корону в межпланетное пространство. Последовательности кадров (фильмы), полученные с космического аппарата SOHO, позволяют проследить развитие этих грандиозных процессов. Интенсивность генерации корональных выбросов массы (так названы эти образования) может достигать нескольких событий в сутки. Облака плазмы, покидающие Солнце, «тянут» за собой силовые линии солнечного магнитного поля, наполняя ими практически весь объем Солнечной системы.

Отечественный гелиофизик, специалист по солнечной активности Виталий Никитич Ишков отмечает, что термин «корональный выброс массы» (КВМ), являющийся калькой с англоязычного выражения, является не очень грамотным: по-русски следовало бы говорить «выброс коронального вещества». Автор полностью согласен с этим замечанием, но, к сожалению, в русскоязычной литературе калька уже утвердилась…

Напоследок несколько слов об общей форме короны. Оказалось, что она способна сильно меняться – это видно по снимкам различных затмений. В ней выделяются отдельные структуры, которые имеют свои названия. Это корональные лучи, опахала (дуги), стримеры, полярные щеточки, димминги и даже открытые московским гелиофизиком Игорем Федоровичем Никулиным проборы. Природа и общая конфигурация корональных структур тесно связаны с магнитными явлениями и процессами, происходящими гораздо ниже – в фотосфере и хромосфере Солнца, то есть определяется нижележащими проявлениями солнечной активности.

Это неполный перечень типов солнечной активности, но здесь указаны, пожалуй, основные, наиболее заметные ее составляющие.

Итак, Солнце оказалось принципиально активным объектом! Помимо постоянных процессов, характерных для «спокойного Солнца», в его поверхностных слоях и атмосфере возникают самые разнообразные, чрезвычайно сложные и подчас непредсказуемые процессы и явления, порождаемые игрой солнечных магнитных полей. Эти процессы и явления и называются солнечной активностью. Именно проявления солнечной активности, их изучение, попытки разобраться в физике происходящего составляют львиную долю усилий гелиофизиков.

Многое в феномене солнечной активности уже понятно. Удалось построить множество моделей, неплохо описывающих наблюдаемые явления. Тем не менее, здесь в очередной раз мы сталкиваемся с тем, что гелиофизика еще очень далека до своего завершения. Кое-что остается неясным, и многие детали процессов остаются необъясненными. Как известно, «дьявол таится в деталях». Нет сомнения, что появление будущей новой техники, с помощью которой удастся различить более мелкие детали солнечных плазменных структур, поставит множество новых вопросов, которые сегодня даже трудно себе представить.

Это нормально. Таков процесс познания. Иначе не бывает…

Лекция девятая

Солнце: активность в пространстве и времени

Раз меня ты озадачил,

Я скажу тебе в ответ,

Что активность Солнца скачет

Много миллионов лет.

Николай Ланкевич

Все пятнистей вставало Солнце, тыча вспышками, окружаясь кольцами концентрическими. Рванью пятен изборожденное, безжалостное, в телескопах изображение приближалось к нам. Плыл над пропастью шар земной в невесомости, и казалось: всему виной в небе Солнце. Но однажды погожим днем было выяснено, что исчезло одно пятно ненавистное. Солнце грело косым лучом тихо, просто, отболевшее, как лицо после оспы.

Семен Кирсанов

Как ведут себя проявления солнечной активности? Как они распределены на поверхности солнечного шара? Меняется ли со временем их интенсивность? И наконец, – почему это происходит?

То, что пятна и окружающие их факелы появляются далеко не на всей поверхности Солнца, а только в пределах так называемых королевских зон (не дальше от экватора, чем на 35–40 градусов), выше уже говорилось. Это значит, что только в этом интервале широт происходят и вспышки (исключения крайне редки). Протуберанцы могут забираться подальше от экватора – до широт 50–60 градусов. На высоких широтах наблюдаются только так называемые полярные факелы и полярные корональные дыры.

Что касается распределения по долготе, то здесь следовало бы ожидать, что группы пятен располагаются равномерно. Но оказалось, что и здесь не все так просто.

Сделаем важное замечание. На сегодняшний день понятие группы пятен используется нечасто. Как правило, применяется комплексное понятие «активная область», которое включает в себя не только группу пятен (как своеобразный «скелет» активной области), но и окружающее пятна яркое факельное поле. В более высоких слоях солнечной хромосферы факелы проявляются в виде ярких флоккулов, а в хромосферных линиях видна, кроме того, обширная зона возмущенной структуры хромосферы, которая занимает гораздо бóльшую площадь по сравнению с участком, на котором располагаются пятна, и даже с участком, занятым факелами (флоккулами). Над линией раздела магнитных полярностей в активной области лежит, как правило, протуберанец. Его часть внутри активной области низкая и компактная, а другой конец, выходящий за пределы поля флоккулов, обычно приобретает вид высокого и диффузного образования, достигающего корональных высот. Наконец, в короне над активной областью ранее отмечалась так называемая корональная конденсация, которая с помощью современных средств наблюдения видна как система разноуровневых магнитных петель. Именно в активных областях с сильными магнитными полями и большими перепадами (градиентами) в напряженности поля происходят вспышки. Чем сложнее магнитная структура активной области, тем более мощной может оказаться вспышка.

Итак, активная область – это единая физическая система многих проявлений солнечной активности, имеющих магнитную основу и тесно связанных друг с другом.

Во второй половине ХХ века многие исследователи обратили внимание на то, что активные области возникают не всегда случайно. Неоднократно наблюдались ситуации, когда активные области возникали целыми «гроздьями», причем одни разрушались, а другие возникали на том же месте или совсем рядом. Такие системы получили название «комплексы активности». Наблюдения короны показывают, что высокие арки магнитного поля соединяют между собой разные активные области, входящие в один комплекс активности, – другими словами, это действительно физически единые магнитные системы. Продолжительность жизни комплексов активности в несколько раз превышает время существования индивидуальной активной области. Любопытно, что области постоянного пятнообразования внутри комплекса активности – их «ядра», иногда живущие больше года, – не смещаются в кэррингтоновой системе координат и не подвергаются действию дифференциального вращения. Это можно интерпретировать как связь комплексов активности (или, по крайней мере, их ядер) с глубинными структурами на уровне дна конвективной зоны. Выше уже указывалось, что начиная с этого уровня, согласно данным гелиосейсмологии, начинается жесткое, или твердотельное, вращение Солнца. Если представить себе структуру, «привязанную» к этому слою, так и будет: на поверхности Солнца она будет вращаться с кэррингтоновой скоростью! Что это может быть?

В 1970-е годы австралийский астрофизик Джордж Пиддингтон развивал концепцию «магнитных деревьев» – мощных жгутов сильного магнитного поля, вздымающихся со дна конвективной зоны до фотосферы. Эти гипотетические «магнитные деревья», «укорененные» на глубине 200 тысяч километров, естественно, должны вращаться с кэррингтоновой скоростью, неподверженные поверхностным смещениям вещества, которые управляются законами дифференциального вращения. В обиход гелиофизиков в те времена даже вошло словосочетание «пиддингтоновская ересь». Развивая эту концепцию, можно было вообразить ядро комплекса активности в виде «ствола» дерева, а рядом возникали новые активные области («ветки», или более тонкие жгуты поля, «отматывающиеся» от основного).

Эта идея претендовала на объяснение многих феноменов солнечной активности. Но появление и быстрый прогресс гелиосейсмологии показали, что, видимо, в основном пятна – все-таки не очень глубоко залегающие структуры: на глубине в несколько тысяч километров под пятнами неоднородности уже не «прощупываются». В связи с этим стало трудно представлять себе магнитные трубки, уходящие вертикально на глубину в две сотни тысяч километров…

Рис. 19. «Магнитное дерево», согласно гипотезе Дж. Пиддингтона, простирается сквозь всю конвективную зону Солнца. Сечения магнитных жгутов на уровне фотосферы проявляются как солнечные пятна

Еще одна из версий: комплексы активности развиваются на основе гигантских крупномасштабных конвективных ячеек, занимающих все пространство от дна конвективной зоны до фотосферы. Такая ячейка может жить долго (много месяцев) и не смещаться в кэррингтоновой системе координат. Восходящий конвективный поток в центре ячейки может «вытягивать» на поверхность Солнца магнитное поле (которое помогает всплытию за счет своей собственной плавучести). В итоге в центре огромной ячейки может возникнуть долгоживущая магнитная структура типа комплекса активности. Изучение природы этих образований продолжается. Автор, который занимается изучением этих чрезвычайно интересных солнечных образований с начала 1980-х годов, полагает, что истина лежит на стыке двух описанных гипотез…

Комплексы активности привлекают интерес тем, что именно здесь происходят самые мощные солнечные вспышки, порождаемые процессами в сложных перепутанных системах магнитных полей находящихся рядом нескольких активных областей. Исследования моих коллег по цеху гелиофизиков, а также мои собственные, показывают, что комплексы активности – это места, где вспышки наиболее вероятны…

Исследование проявлений солнечной активности на протяжении нескольких десятилетий позволили обнаружить еще один интересный и во многом загадочный эффект.

На первый взгляд, возникновение активных областей на разных долготах происходит хаотично, чего и следует ожидать. Казалось бы, нет никаких оснований предполагать, что какие-то долготы Солнца должны отличаться от других с точки зрения интенсивности пятнообразования. Газовый шар Солнца представляется осесимметричным, и все долготы должны быть с этой точки зрения равноправными. Во всяком случае, так вроде бы должно быть при усреднении на временах, существенно бóльших, чем средняя продолжительность жизни единичной группы пятен…

Однако на практике дело обстоит иначе. Если мы будем суммировать число или общую площадь групп пятен за множество оборотов в разных диапазонах долгот, мы обнаружим, что на каких-то долготах пятна систематически возникают в бóльших количествах (либо с бóльшими площадями), чем на других. Попытки анализировать такие распределения на протяжении одного, двух и более циклов показывают, что существуют некие сравнительно стабильные, особые интервалы долгот, где групп пятен наблюдается больше, чем по соседству. Такие долготные интервалы получили название «активные долготы». Этим феноменом глубоко и серьезно многие годы занимался пулковский астроном Юрий Иванович Витинский.

Существование активных долгот известно давно, но по-прежнему вызывает некоторое недоумение. Строго говоря, причина их существования окончательно неизвестна до сих пор.

Одна из гипотез, которую предложили финские гелиофизики Джетсу, Похолайнен, Пелт и Туоминен, заключается в том, что в недрах Солнца (лучистом ядре) существует некое реликтовое (древнее) магнитное поле, и ось его симметрии не совпадает с осью вращения нашей звезды. Взаимодействуя с основным осесимметричным полем, оно должно приводить к наблюдаемому явлению северно-южной асимметрии солнечной активности и некоей неравномерности распределения магнитных структур по долготе.

Гипотеза была поддержана и развита отечественными исследователями Леонидом Леонидовичем Кичатиновым и Александром Вениаминовичем Мордвиновым. Они привели ряд результатов наблюдений, которые можно трактовать как свидетельства в пользу существования таинственного реликтового поля. В общем, идея выглядит интересной, но, мягко говоря, не является общепризнанной. Прозвучали и серьезные критические замечания в ее адрес.

Еще одно замечание по поводу феномена активных долгот заключается в следующем. Один из ведущих российских гелиофизиков Владимир Нухимович Обридко показал, что генерация магнитных полей активных областей в южном и северном полушариях происходит в определенном смысле независимо. Это значит, что выделение активных долгот (равно как и изучение статистики других проявлений солнечной активности) следует выполнять раздельно по южному и северному полушариям.

Таким образом, выделяются три уровня организации основных типов солнечной активности. Во-первых, это, конечно, активные области – основной «кирпичик» феномена. Во-вторых, это комплексы активности – системы из нескольких одновременно и последовательно возникающих активных областей. В-третьих, это так называемые «активные долготы» – некие интервалы долгот на Солнце, где активные области почему-то имеют обыкновение возникать чаще или оказываются более мощными. Такие интервалы существуют на протяжении многих десятилетий. Как указано выше, природа и механизмы образования многих типов солнечной активности, равно как и их свойства организовываться на солнечной поверхности так, как это происходит, окончательно не выяснены.

Теперь, когда мы знаем, как располагается проявление солнечной активности (активные области) в пространстве (на поверхности Солнца), обратимся к теме изменений солнечной активности во времени. Это значит, что пришла пора рассказать о ее цикличности.

Дело было в далеком 1826 году. В небольшом немецком городке Дессау жил некий аптекарь по имени Генрих Швабе (1789–1875), который, как утверждалось, тяготился доставшимся ему по наследству ремеслом. Когда это стало возможным, Швабе освободился, как от кошмара, от своего аптекарства, заказал в Мюнхене небольшой телескоп и занялся астрономическими наблюдениями. Гёттингенский астроном Гардинг посоветовал своему другу заняться систематическими наблюдениями солнечных пятен.

Этот совет оказался необычайно удачным. Дело в том, что появление и исчезновение пятен на Солнце вот уже два столетия считались абсолютно случайным процессом. Динамика пятен выглядела как капризная игра природы. Считать и зарисовывать пятна на Солнце казалось астрономам бессмысленным и совершенно безнадежным занятием – типа зарисовывания и подсчета облаков. Многие выдающиеся астрономы – например, Кассини, Лемонье, Лаланд, – утверждали, что в появлении и исчезновении пятен на Солнце невозможно увидеть какую-либо закономерность. Астроном Деламбр прямо утверждал, что «на пятна стоит посмотреть, но изучать в них нечего». Даже Гершель, большое количество времени потративший на изучение морфологии солнечных пятен и (справедливо) выражавший уверенность, что пятна являют собой важнейший симптом деятельности светила, признавал отсутствие каких-либо закономерностей в процессе появления пятен.

Сколько их еще было, подобных примеров в истории науки, когда выводы оказывались преждевременными!..

Неопытный астроном Швабе, конечно, и не подозревал, какое открытие ему предстоит сделать. Впоследствии он говорил, ссылаясь на библейский сюжет, что его судьба похожа на судьбу Саула, который отправился искать пропавших ослов своего отца, а нашел царскую корону. Швабе, наблюдая Солнце, надеялся обнаружить новую неизвестную планету, находящуюся, как он надеялся, вблизи Солнца, ближе к нему, чем Меркурий. Для этого он взялся ежедневно (если позволяли погода и здоровье) с немецкой пунктуальностью регистрировать все, даже самые мельчайшие, пятна на солнечном диске, какие только можно было обнаружить в его телескоп. Результаты своих наблюдений он тщательно заносил в журнал. Эти наблюдения Швабе вел на протяжении 43 лет! Это, безусловно, выдающийся научный подвиг. Был накоплен уникальный и чрезвычайно ценный научный материал.

Просматривая свои многолетние записи, в 1843 году он обнаружил удивительную вещь. Число солнечных пятен периодически изменялось! В разные годы их количество существенно отличалось друг от друга. Так, например, в 1828 году Швабе насчитал на Солнце 225 пятен, а в 1833 году – всего 33. В течение 1837 года, согласно наблюдениям Швабе, возникло 333 пятна, а в 1843 году – только 34. Получалось, что число пятен периодически меняется, причем максимумы и минимумы повторяются примерно через 10 лет.

Вот почему предшественники Швабе не могли уловить эту закономерность: чтобы ее почувствовать, недостаточно было изредка смотреть на Солнце; нужно было десятилетиями вести непрерывные наблюдения!

Публикация первого сообщения о цикличном изменении числа пятен на Солнце практически не обратила на себя внимания, – цифрами Швабе мало кто заинтересовался. Бывший аптекарь продолжал наблюдать, уже вполне сознательно обращая внимание на циклические изменения пятнообразовательной деятельности Солнца. Каждый год приносил новые доказательства правоты открывателя. В 1851 году знаменитый естествоиспытатель Гумбольдт издал третий том своего фундаментального труда «Космос», где поместил таблицу чисел солнечных пятен по годам, составленную Генрихом Швабе. Открытый закон выглядел поражающе ясным и убедительным! Количество пятен на Солнце подчинялось могучему «дыханию» светила, существенно (более чем в 10 раз) изменяясь примерно за 10 лет. Были периоды, когда ни одного пятна на Солнце не было видно в течение многих недель, но были и другие периоды, когда Солнце напоминало лицо больного оспой, покрываясь многочисленными группами пятен.

Швабе так и не нашел своих «ослов» – не обнаружил интрамеркурианской планеты (в этом он не одинок – это не удалось до сих пор никому, и надежды на ее существование давно потеряны!), но сделал другое выдающееся открытие. В 1857 году скромный аптекарь, не обладавший особыми познаниями в области астрономии и наблюдавший на более чем скромном телескопе, был удостоен золотой медали Лондонского астрономического общества.

На церемонии вручения в адрес Швабе прозвучали следующие слова:

«12 лет он потратил на удовлетворение своих собственных интересов, шесть следующих лет – на удовлетворение интересов человечества и, наконец, еще 13 лет – на убеждение человечества. В течение 30 лет Солнце никогда не появлялось над Дессау без того, чтобы Швабе не направил на него свой неизменный телескоп, а это происходило, по-видимому, в среднем дней 300 в году. Здесь мы имеем пример преданной настойчивости, не имеющей себе равных в истории астрономии. Настойчивость одного человека привела его к открытию явления, существование которого даже не подозревалось астрономами в течение целых двух столетий…»

Изучение цикличности количества появляющихся на Солнце пятен, начатые Швабе, продолжил швейцарский исследователь Рудольф Вольф (1816–1893). Для уточнения продолжительности цикла солнечных пятен он собрал все возможные данные о наблюдениях Солнца начиная с зарисовок Галилея и Шейнера. Это позволило продлить ряд данных о солнечных пятнах в прошлое. К сожалению, ряд оказался неоднородным, с пробелами и пропусками. Непрерывные наблюдения пятен по тем временам еще не велись, и лишь отдельные работы отдельных энтузиастов частично спасали ситуацию.

Вольфу удалось восстановить ежедневные значения чисел пятен с 1818 года, среднемесячные значения – с 1749 года и среднегодовые – с 1700 года. Число пятен, безусловно, периодически менялось! При этом средний период оказался несколько бóльшим по сравнению с тем, что удалось обнаружить Швабе. Согласно исследованиям Вольфа, солнечный цикл составил в среднем 11,11 лет (сегодня считается, что средняя величина – около 11,2 лет). При этом циклы оказались различающимися по продолжительности – от 7–8 до 17(!) лет.

В 1849 году наблюдался очередной максимум солнечной активности, и очередному циклу, начавшемуся с минимума в 1755 году, был присвоен номер 1. Разумеется, имелось в виду, что это первый из циклов, целенаправленно наблюдавшийся и изучавшийся Вольфом. Нет сомнений, что этому «первому» циклу предшествовали миллионы аналогичных. Но предложенная нумерация (должна же быть какая-то!) принята гелиофизиками и по сей день. Следуя этой нумерации, считается, что в 2009 году начался 24-й цикл солнечной активности.

В 1848 году Вольф предложил для описания уровня солнечной активности свой знаменитый индекс – относительное число солнечных пятен R, или число Вольфа, которое определяется с 1849 года по настоящее время в результате непрерывных ежедневных наблюдений. Индекс вычисляется следующим образом. На солнечном диске подсчитывается число наблюдаемых групп пятен g. После этого находится общее суммарное число f отдельных пятен во всех группах, включая самые маленькие пятна, лишенные полутеней (так называемые поры), и даже отдельные фрагменты тени в пределах одной полутени большого пятна (так называемые ядра). Относительное число пятен равно числу групп g, умноженному на 10, сложенному с числом пятен f.

W = k (10g + f)

Известный исследователь статистических закономерностей пятнообразования на Солнце Георгий Вячеславович Куклин писал, что коэффициент 10 был взят Вольфом не «от фонаря». 10 – это среднее количество отдельных пятен, входящих в группу пятен.

Получившееся число следует умножить на собственный коэффициент k, приписываемый конкретному телескопу. Дело в том, что некоторые телескопы не позволяют разглядеть мелкие поры, и это означает, что число Вольфа может оказаться заниженным. Субъективный разброс при определении числа Вольфа может составить до 25 %! Поэтому международная служба при выводе ежедневных чисел использует суммарные данные многих обсерваторий, и в первую очередь тех, где проводятся тщательные и качественные исследования по выверенной единой методике. Многие десятилетия мировым центром по определению числа Вольфа традиционно оставался швейцарский Цюрих, в настоящее время центром является Королевская астрономическая обсерватория в бельгийском городе Уккле.

Число Вольфа – на первый взгляд, достаточно произвольно сконструированный индекс, – на самом деле оказалось очень удачным. Современные определения уровня солнечного радиоизлучения на волне 10,7 сантиметров, например, показали, что этот индекс и число Вольфа изменяются со временем практически одинаково. Сходным образом меняются и многие другие индексы солнечной активности, поэтому относительное число солнечных пятен остается и по сей день главным, наиболее простым образом определяемым индексом, описывающим уровень солнечной активности.

Оказалось, что среднемесячное число Вольфа на фазе минимума цикла падает почти до нуля, а затем, на протяжении 3–4 лет начинает нарастать. Как и многие другие процессы на Солнце, нарастание происходит быстрее, чем спад. Мой дед, астроном Иван Наумович Язев (1895–1955), в 1943 году обнаружил любопытную закономерность: в среднем продолжительность фазы роста солнечного цикла в √‾2 раза короче фазы спада.

Современные исследования показали, что фаза максимума цикла может продолжаться полтора – два с половиной года. Она нередко бывает двухвершинной: число Вольфа достигает первого максимума (одновременно на диске может наблюдаться до 15–17 групп пятен!), слегка спадает, потом наблюдается вторичный (как правило, не такой высокий, как первый) максимум, после чего начинается длительная (5–6 лет) фаза спада 11-летнего цикла.

Рис. 20. График, представляющий цикличность солнечной активности, выраженную в числах Вольфа. Черным цветом показаны циклы, восстановленные по косвенным данным. Данные на 2005 год

Вместе с числом групп пятен на Солнце меняется и интенсивность других видов солнечной активности. Синхронно с числом Вольфа меняется площадь факелов (а значит, и флоккулов). На фазе минимума практически не бывает протуберанцев – они лежат на границах областей с разной магнитной полярностью, а в минимуме цикла сильных магнитных полей на поверхности Солнца вообще не видно. Это означает, что в этот период нет (или почти нет) высоких корональных петель. Не бывает без солнечных пятен и вспышек: для их генерации нужны сильные магнитные поля солнечных пятен или как минимум поля уровня факелов (так называемые беспятенные вспышки, очень редко происходящие во флоккулах, никогда не бывают мощными). Это значит, что все основные типы солнечной активности изменяют свое влияние с ходом цикла, вслед за ходом числа солнечных пятен!

Впрочем, это не означает, что в минимуме солнечная активность совсем исчезает. Один из ведущих российских гелиофизиков Владимир Нухимович Обридко настаивает, что солнечная активность присутствует на нашем светиле всегда, только она периодически меняет формы своего проявления! В фазе спада цикла наблюдаются редкие, но обычно самые мощные вспышки в гигантских группах солнечных пятен. В фазе минимума повышается активность так называемых полярных факелов; не исчезают, а порой даже усиливают свою активность корональные дыры; продолжают наблюдаться корональные выбросы массы. (Что загадочно, поскольку их связь, по крайней мере, с некоторыми вспышками надежно установлена, – но при этом бывают выбросы в отсутствие вспышек!)

11-летний цикл солнечной активности отличается дополнительно следующими важными закономерностями. Уже неоднократно упоминавшийся Ричард Христофор Кэррингтон обнаружил, что самые первые группы пятен нового солнечного цикла появляются на высоких широтах, далеко от экватора! Одна из самых высокоширотных групп наблюдалась на широте 44 градуса, – но это редкая экзотика. Развиваясь первоначально на широтах около 30 градусов, становясь все более многочисленными по мере роста солнечного цикла, пятна в среднем начинают появляться на все более низких широтах. В период максимума цикла средняя широта групп пятен оказывается близкой к 16 градусам. Напомним, что скорость вращения на этой широте соответствует, судя по всему, скорости твердотельного вращения глубинных слоев Солнца. К фазе минимума последние пятна возникают совсем близко к экватору – на широтах около 5 градусов. В фазе минимума новые пятна очередного солнечного цикла возникают снова на высоких широтах!

Широтный дрейф в течение 11-летнего цикла детально исследовал немецкий астроном Густав Шперер (1822–1896). Небольшая обсерватория содержалась за счет немецкого правительства, а телескоп с 13-сантиметровым объективом, на котором наблюдал Шперер, был подарен ему лично кронпринцем Фридрихом. Шперер подробно изучил обнаруженный Кэррингтоном эффект. Теперь факт смещения зоны среднего пятнообразования по широте в течение солнечного цикла обычно называют законом Шперера.

В последние десятилетия гелиофизики получили возможность непрерывно определять солнечную постоянную в ходе наблюдений с космических аппаратов. Выяснилась любопытная вещь: помимо колебаний ее значений, связанных с появлением и исчезновением активных областей (от +0,2 до –0,4 %), слегка (всего на 0,1 %) меняется и средний уровень светимости Солнца. Эти колебания происходят синхронно с 11-летним циклом солнечной активности! Другими словами, слегка, в такт с солнечной цикличностью, меняется режим энерговыделения светила. К счастью для нас, эти изменения чрезвычайно малы, но тем не менее, точные измерения демонстрируют их реальность. Несомненно, это отражение глубинных физических процессов в недрах Солнца, суть которых мы пока понимаем не очень хорошо.

Есть еще чрезвычайно важная особенность солнечной цикличности. Если мы будем рассматривать, как расположены в группах пятен магнитные полярности, выяснится следующая закономерность. Все «головные» пятна в активных областях северного полушария в течение всего 11-летнего цикла имеют одну и ту же полярность, соответственно, «хвостовые» пятна – противоположную. В это же время в южном полушарии наблюдается обратная картина: здесь «головная» полярность соответствует «хвостовой» в северном полушарии. Но когда в минимуме цикла начинают появляться первые небольшие группы пятен нового цикла, их можно отличить не только по высокой широте. Магнитные полярности у групп нового цикла оказываются обращенными по отношению к группам старого цикла! Теперь бывшая «хвостовая» полярность в данном полушарии становится «головной». Эта глубокая закономерность, отражающая фундаментальные свойства солнечной активности, была обнаружена в начале XX века в американской обсерватории Маунт Вилсон и получила название закона Хэйла в память о пионере исследований солнечного магнетизма. Учитывая это, гелиофизики иногда говорят не об 11-летнем, а о 22-летнем цикле солнечной активности. За этот период полностью меняется не только число пятен и других проявлений активности, но и их магнитные полярности, и все начинается сначала.

Есть дополнительные аргументы в пользу того, что 22-летний цикл – действительно реальность, а не измышление теоретиков. Обнаружилось, что 11-летние циклы солнечной активности неодинаковы «по высоте»: в максимумах некоторых циклов значения чисел Вольфа оказываются больше, чем в других. При этом выяснилась любопытная закономерность: «высокие» и «низкие» циклы чередуются между собой: как правило, число пятен в максимуме нечетного цикла выше, чем в максимуме четного. На эту закономерность указывали в прошлом выдающиеся гелиофизики Тернер, Людендорф и Вальдмайер. В отечественной научной литературе это свойство солнечной цикличности называют правилом М. Н. Гневышева – А. И. Оля в память об описавших этот феномен известных советских астрономах. При этом следующие друг за другом циклы в каждой паре, похоже, тесно связаны друг с другом: оказывается, по продолжительности предыдущего цикла в паре можно с высокой степенью вероятности предсказать высоту следующего цикла. Таким образом, указанные закономерности являются отражением неких непрерывных магнитных процессов с периодом в 22 года.

Есть ли на Солнце другие периоды? Есть основания считать, что есть, но определить их свойства достаточно сложно: они проявляются вовсе не так явно, как впечатляющие 11-летние изменения всех параметров солнечной активности. Математическая обработка формы кривой, описывающей набор 11-летних циклов, позволяет указать на то, что высоты циклов, похоже, промодулированы более долгопериодическим изменением. Сегодня наиболее надежно выделяется 80-летний цикл. При этом В. Н. Обридко отмечает, что в 11-летнем цикле заметно меняется количество групп пятен, а в 80-летнем цикле – их мощность (например, отражаемая таким параметром, как площадь пятен).

Сбой в правиле Гневышева – Оля (23-й цикл оказался ниже предыдущего, вопреки ожиданиям) московский гелиофизик Виталий Никитич Ишков считает связанным с тем, что на этот период пришелся минимум в вековом (80-летнем) цикле активности. Следующий, 24-й, цикл оказался еще более низким – похоже, солнечная активность вступила в эпоху «низких» циклов. Косвенные данные, кроме того, указывают на то, что, возможно, существует и 2400-летний цикл солнечной активности. Высота (амплитуда) долгопериодических циклов, видимо, невелика по сравнению с 11-летним циклом.

Рис. 21. Изменения чисел Вольфа во время 24-го цикла солнечной активности. Сглаженные данные

Есть доп. данные для отрисовки (в excel), там числа для графика. На горизонтальной оси поставить годы: в самом начале – 2009, под вторым максимумом – 2014.

Насколько стабильно 11-летнее «дыхание» Солнца? На протяжении последних двух столетий оснований сомневаться в этом не было. Но в прошлом, причем не таком уж далеком, наблюдались странные события. На протяжении 70 лет, в период с 1645 по 1715 год, должно было уместиться как минимум шесть 11-летних циклов. К сожалению, в этот период солнечные пятна систематически никто не наблюдал! Но данные отдельных, отрывочных наблюдений, а также многих косвенных данных (в частности, пониженного числа полярных сияний, которые тесно связаны с солнечной активностью) говорят о том, что в это время на Солнце почему-то было аномально мало пятен! Известные гелиофизики Юрий Иванович Витинский, Милослав Копецкий и Георгий Вячеславович Куклин писали, например, о том, что можно сделать вывод о «затоплении» 11-летних циклов в этот период: некоторое (пониженное) количество пятен наблюдалось только в период максимумов, а в остальное время пятен на Солнце практически не было. В честь Эдварда Уолтера Маундера (1851–1928), который в начале ХХ века подробно исследовал этот феномен, загадочный период пониженной солнечной активности в середине XVII – начале XVIII века теперь принято называть маундеровским минимумом.

Все, что на сегодняшний день известно о маундеровском минимуме, позволяет считать, что пятна на Солнце в это время не пропадали совсем, но их число было по крайней мере в 2–3 раза меньше, чем в обычных циклах. При этом, если не прекращали действовать другие выведенные для обычных циклов закономерности, зоны пятнообразования не удалялись от солнечного экватора дальше, чем на 10–12 градусов. В этот период, согласно выводам Г. В. Куклина, правило Гневышева – Оля чаще нарушалось, чем соблюдалось. В то же время пулковский гелиофизик Юрий Анатольевич Наговицын отмечает, что за последние 400 лет природа неукоснительно следовала этой закономерности…

Судя по некоторым данным, маундеровский минимум был не единственным событием подобного рода, теряющимся в глубине веков. Говорят, например, о минимуме Шперера (1420–1530), минимуме Вольфа (1280–1340), минимуме Оорта (1010–1050), а также недавних неглубоких минимуме Дальтона (1790–1830) и минимуме Гневышева на рубеже XIX и XX веков. Судя по всему, в настоящее время начинается очередной неглубокий (впрочем, как знать!) минимум солнечной активности.

Причина возникновения маундеровского минимума (как, впрочем, и остальных минимумов) на сегодняшний день остается неизвестной, но некоторые идеи на этот счет, несомненно, есть! Первоначально выдвигалась гипотеза о том, что режим солнечной активности резко изменился из-за внезапного увеличения угловой скорости вращения вблизи Солнца и усиления дифференциальности вращения (по неизвестной, опять-таки, причине!). Однако позднее было показано, что данные о росте скорости вращения в период маундеровского минимума оказались ошибочными. Кроме того, исследователь из Уссурийской астрофизической обсерватории Владимир Федорович Чистяков в 1982 году продемонстрировал свои результаты, из которых следовало, что Солнце вообще имеет склонность несколько увеличивать скорость вращения в период минимумов 11-летних циклов, но это ни к каким катастрофам не приводит.

Выдвигалась даже революционная идея, что 11-летний цикл – это вообще недавняя «выдумка» Солнца, и до 1715 года его просто не было! Однако множество косвенных данных опровергают эту гипотезу.

Г. В. Куклин в 1982 году предложил идею «смены режима» динамической системы, определяющей циклические свойства процесса образования пятен на Солнце. Видимо, так оно и было. Но причины «смены режима» на светиле остаются туманными. Впрочем, возможно, как предполагали ранее многие авторы, здесь применима модель системы типа так называемого «странного аттрактора». «Странный аттрактор» – это система, способная внезапно, под влиянием слабых случайных изменений ее параметров, вдруг переходить в качественно другое состояние, – а потом так же стремительно возвращаться в прежнее. Такие системы описываются математической концепцией, которая называется теорией катастроф.

Но все это означает, что маундеровский минимум не может быть редким исключительным явлением! Не исключено, что Солнце способно функционировать не только в привычном для нас сегодня режиме, но может в одночасье переключаться на иной режим. Заметим, что, может быть, и неплохо, что светило переключалось на режим пониженной солнцедеятельности. Кто знает, существуют ли иные режимы с уровнем солнцедеятельности повышенной? И не было ли в нашем далеком прошлом случаев подобных переходов между разными режимами? Окончательной теории этих процессов на сегодняшний день не существует. А гипотезы, конечно же, есть…

Обратимся теперь к непростому вопросу о причинах солнечной активности. Что порождает эти грандиозные циклические изменения на Солнце? Что приводит к формированию мощных локальных магнитных полей в недрах светила, которые, всплывая к фотосфере, формируют здесь активные области и прочие многочисленные явления солнечной активности?

Одна из первых идей по этому поводу заключалась в том, что на Солнце влияют вращающиеся вокруг него планеты. Еще задолго до обнаружения феномена цикличности солнечной активности, в 1612 году, Галилей выдвигал предположение, что условия образования пятен как-то связаны с влиянием планет. Близость 11-летнего периода солнечной активности периоду обращения вокруг Солнца крупнейшей планеты Солнечной системы – Юпитера – была подмечена еще Вольфом, который считал, что на 11-летнюю волну Юпитера накладывается более слабая 29-летняя волна Сатурна, а Венера и Земля добавляют короткопериодические возмущения. Впрочем, впоследствии Вольф отказался от этой идеи, справедливо сочтя, что она неубедительна.

Попытки объяснять солнечную активность влиянием планет делались отдельными исследователями и в ХХ веке (в их числе, например, был мой дед Иван Наумович Язев, а также пулковский астроном Галина Яковлевна Васильева). Однако эта концепция не подтверждается никакими идеями о действующих механизмах, вызывающих предполагаемое влияние. Кроме того, такие эффекты, как закон Шперера и магнитная переполюсовка в соседних циклах, воздействием планет никак не объясняются. С другой стороны, мизерная (по сравнению с Солнцем) суммарная масса всех планет должна давать ничтожный приливный эффект на Солнце, энергетика которого значительно ниже энергии, требуемой для формирования проявлений солнечной активности.

Пятна объяснялись в разные времена по-разному – от идеи «антициклонов» в атмосфере Солнца (Эгон Оппольцер) до идеи иллюзий, оптических эффектов типа рефракции света (Август Шмидт). На сегодняшний день основной парадигмой, объясняющей феномен солнечной активности, является так называемая теория динамо. Многие наблюдаемые факты объясняются с ее помощью вполне удовлетворительно. Немаловажным соображением является то, что в результате действия тех процессов, которые царят в глубинах Солнца, явления, описываемые теорией динамо, должны возникать неизбежно, согласно известным законам физики. А это значит, что отвергать их нельзя (они все равно есть!). Требуется лишь понять в деталях, как работает этот грандиозный механизм.

Рис. 22. Внешние области Солнца толщиной около 30 % от радиуса охвачены конвекцией. В более глубоких слоях конвекции нет. Стрелками показано неоднородное вращение. Оно генерирует тороидальное магнитное поле (тонкие линии), опоясывающее Солнце по долготе. Всплывание жгутов магнитного поля и выход их на уровень поверхности (фотосферы) приводит к появлению пятен

О теории динамо в настоящем разделе книги рассказывает один из крупных специалистов в этой области, мой коллега по Институту солнечно-земной физики СО РАН, доктор физико-математических наук Леонид Леонидович Кичатинов.

Итак, слово доктору Кичатинову.

«Происхождение цикла солнечной активности связывают с процессами, происходящими в конвективной зоне Солнца. Здесь, во внешнем сферическом слое толщиной около 30 % солнечного радиуса, происходит интенсивное перемешивание вещества, или конвекция (см. рис. 22). Генерация магнитных полей солнечного цикла требует затрат энергии. Считается, что магнитным полям передается часть энергии конвективных движений.

Сам процесс генерации магнитных полей называют гидромагнитным динамо, или просто динамо. Этот термин когда-то использовался в электротехнике, затем вышел из употребления. На рубеже 40–50-х годов ХХ века термин «динамо» снова вошел в употребление для обозначения процессов генерации магнитных полей в результате движений проводящих жидкостей.

Кроме конвекции в солнечном динамо участвует также дифференциальное, или неоднородное, вращение (которое, впрочем, также поддерживается конвекцией). Напомним, что экваториальные области Солнца вращаются быстрее полярных, причем период вращения монотонно возрастает с широтой и увеличивается от экватора к полюсам приблизительно на 30 %.

Для рассмотрения солнечного динамо нам потребуется ввести понятия так называемых полоидальных и тороидальных магнитных полей. И те и другие поля обладают симметрией относительно оси вращения.

Силовые линии полоидального поля лежат в плоскостях меридиональных сечений Солнца. Подобные поля создаются, например, обычным магнитным стержнем или кольцевым током. Силовые линии полоидального поля изображены на крайней слева и крайней справа частях рис. 23.

Тороидальные поля имеют лишь долготную (азимутальную) составляющую. Силовые линии такого поля опоясывают наше светило по долготе перпендикулярно меридианам Солнца (см. рис. 23).

Рис. 23. Схема действия солнечного динамо. Неоднородное вращение приводит к формированию тороидального поля из полоидального. Затем альфа-эффект генерирует из тороидального поля полоидальное, но противоположное исходному. В результате во время максимума цикла активности полоидальное поле меняет полярность. После этого неоднородное вращение начинает генерировать тороидальное поле, противоположное имеющемуся. Поэтому тороидальное поле исчезает (достигается минимум цикла активности) с полоидальным полем противоположной полярности по отношению к предыдущему минимуму (отрисовать)

Дифференциальное вращение вытягивает, увлекает за собой силовые линии полоидального поля. В результате у поля появляется тороидальная компонента. Этот простой процесс генерации тороидального поля из полоидального получил название омега-эффекта (буква Ω греческого алфавита традиционно используется для обозначения угловой скорости вращательного движения).

Механизм динамо включает в себя и обратное преобразование – процесс превращения тороидального поля снова в полоидальное. Такое преобразование выполняют конвективные течения. Дело в том, что конвективная зона Солнца сильно неоднородна. Давление и плотность здесь быстро возрастают с глубиной. Поэтому объемы солнечного вещества, поднимающиеся к поверхности, расширяются, а движущиеся вглубь Солнца – наоборот, сжимаются.

Так как эти объемы участвуют в глобальном вращении Солнца, все они получают некоторое количество углового момента и стремятся его сохранить. Поэтому опускающееся вещество приобретает собственное вращение, совпадающее по направлению с общим вращением Солнца. Это явление хорошо знакомо каждому, кто наблюдал соревнования по фигурному катанию: фигурист вращается с разведенными в сторону руками, затем прижимает руки к туловищу – и скорость вращения увеличивается (см. рис. 24).

Рис. 24. Иллюстрация альфа-эффекта. Собственное вращение поднимающихся из недр конвективной зоны объемов вещества приводит к формированию петель полоидального поля из исходного тороидального поля. Опускающееся вещество создает такие же петли

По тем же причинам поднимающиеся объемы вещества расширяются и приобретают собственное вращение в направлении, противоположном общему вращению Солнца. Увлекая за собой силовые линии тороидального поля, такие движения будут формировать «магнитные петли», как это показано на рис. 24. При этом собственное вращение участвующих в конвекции объемов вещества приведет к повороту петель таким образом, что в них снова появится полоидальная (вдоль направления меридиана) составляющая.

Легко понять, что хотя поднимающиеся и опускающиеся объемы вращаются в противоположных направлениях, формируемые ими петли полоидального поля подобны, т. е. они будут иметь одинаковую ориентацию магнитного поля! Данный процесс формирования полоидального поля из тороидального конвективными движениями получил названия альфа-эффекта.

Еще два обстоятельства, касающиеся этого эффекта, требуют пояснения. Во-первых, для образования глобального полоидального поля из отдельных петель должно произойти их слияние друг с другом. Этому процессу динамо способствует диффузия (сглаживание) магнитного поля. Во-вторых, собственное вращение конвективных объемов в северном и южном полушариях происходит в противоположных направлениях. Дело в том, что переход от одного полушария к другому равнозначен по сути изменению направления глобального вращения. Поэтому если бы в северном и южном полушариях тороидальное поле имело одинаковое направление, то создаваемые альфа-эффектом в этих полушариях полоидальные поля были бы противоположны.

На Солнце, однако, реализована обратная ситуация! Тороидальные поля северного и южного полушарий имеют как раз противоположные направления. При этом альфа-эффект приводит к появлению одинаковых по направлению полоидальных полей в обоих полушариях. Эти поля легко объединяются, формируя новое общее полоидальное поле Солнца.

Теперь можно перейти к рассмотрению солнечного цикла. Последовательность происходящих в нем событий схематически показана на рис. 23.

Предположим, что в некоторый момент времени на Солнце преобладает полоидальное поле, а тороидальное поле сравнительно мало. Такую ситуацию мы наблюдаем в фазе минимума магнитной активности Солнца, изображенной на крайней слева картинке рис. 23. Дифференциальное вращение с помощью омега-эффекта начинает генерировать из полоидального поля тороидальное, имеющее противоположные в северном и южном полушариях направления (вторая часть рис. 23). С появлением тороидального поля включается альфа-эффект, который, в свою очередь, начинает создавать полоидальное поле, противоположное исходному. В результате суммарное полоидальное поле на Солнце начинает уменьшаться, однако, даже уменьшившись, оно будет продолжать усиливать тороидальное поле из-за омега-эффекта.

В конце концов, полоидальное поле исчезает. В этот момент тороидальное поле достигнет максимальной величины! Эта ситуация соответствует эпохе максимума 11-летнего цикла солнечной активности. Дело в том, что омега-эффект для Солнца гораздо сильнее альфа-эффекта, поэтому и тороидальные поля оказываются значительно больше полоидальных. Собственно, именно они и определяют магнитную активность! Считается, что всплывание жгутов тороидального магнитного поля и их появление на солнечной поверхности приводит к образованию солнечных пятен (рис. 22, слева).

Рассмотрим дальнейшее развитие солнечного цикла. С исчезновением полоидального поля действие альфа-эффекта не прекращается. В итоге зарождается новое полоидальное поле (третья часть рис. 23). Его направление будет противоположно исходному полоидальному полю. При этом происходит так называемая «переполюсовка» – смена знака магнитного поля на полюсах Солнца. Но с появлением нового полоидального поля снова включается омега-эффект! А это означает, что неизбежно начнется генерация нового тороидального поля, противоположного по направлению имеющемуся тороидальному полю. Поэтому тороидальное поле начнет уменьшаться. Следовательно, определяемая этим полем солнечная активность вступит в фазу спада.

Важно, что при этом действие альфа-эффекта не прекращается, что приводит, в свою очередь, к усилению нового полоидального поля. Так будет продолжаться до тех пор, пока не исчезнет тороидальное поле. Солнце приходит к новому минимуму активности с обращенным полоидальным полем (см. рис. 23, справа).

Дальнейшее действие солнечного динамо повторит уже рассмотренный цикл, но с противоположным направлением магнитных полей. После этого система вернется к состоянию, с которого началось наше обсуждение солнечного цикла. Этот процесс, по всей вероятности, начался на Солнце около четырех миллиардов лет назад и будет продолжаться еще приблизительно столько же.

Рассмотренная схема, разумеется, дает лишь общее и довольно поверхностное представление о солнечном динамо. Реальные процессы намного сложнее. Обращение направлений тороидальных либо полоидальных полей происходит в различных областях Солнца в разные моменты времени, а не на всем Солнце одновременно. Тороидальные поля по мере развития магнитного цикла мигрируют к экватору, а вместе с ними перемещаются к экватору и области появления новых солнечных пятен (закон Шперера). Полоидальные поля, напротив, рождаются на низких широтах и затем мигрируют к полюсам.

Механизм солнечного динамо не до конца понятен ученым. До сих пор между ними имеются разногласия, в том числе и весьма существенные. Детальную картину магнитной активности можно получить с помощью сложных математических расчетов, проводимых на современных компьютерах. Надо признать, что результаты таких расчетов далеко не во всем согласуются с наблюдениями.

Тем не менее, показанная на рис. 23 схема солнечного цикла позволяет понять основные наблюдаемые явления – это изменение знака полярных полей в максимуме активности, факт наличия противоположных полярностей групп солнечных пятен, находящихся в северном и южном полушариях Солнца (это связано с изменением направления тороидального поля при переходе через экватор). Кроме того, приведенный сценарий объясняет полное обращение направления глобального магнитного поля Солнца за два последующих 11-летних цикла активности.

Итак, под воздействием дифференциального вращения, которое порождается конвекцией, в недрах конвективной зоны осуществляется процесс непрерывных циклических изменений магнитного поля: полоидальное превращается в тороидальное, которое порождает многочисленные явления солнечной активности. Эволюция тороидального поля приводит к его постепенному затуханию. Часть энергии передается полоидальному полю (но уже с обратным знаком), которое по мере исчезновения тороидальных полей, наоборот, усиливается.

Такие параметры Солнца, как его размеры, габариты конвективной зоны, скорость вращения, характеристики дифференциального вращения и многое другое, определяют скорость протекания данных процессов. Этими параметрами и определяется в конечном итоге периодичность в 11 лет, которая требуется для завершения полуцикла полного обращения магнитного поля. Обеспечение всех этих процессов энергией осуществляется конвекцией, которую, в свою очередь, поддерживает непрерывный поток энергии из глубин Солнца, – пока там текут термоядерные реакции».

Как указал выше Л. Л. Кичатинов, многое в этих процессах уже понятно, но остается много неясного. Во всяком случае, такие явления, как маундеровский минимум и другие подобные сбои режима генерации солнечной активности, а также существование более длинных периодов (80 или 2400 лет), еще требуют объяснения. Еще раз хочется подчеркнуть: мы знаем о Солнце очень много, о многом догадываемся, но целый ряд существенных деталей жизни светила остается для нас загадочным. Работы для гелиофизиков хватит еще надолго.

Лекция десятая

Солнце: всплески и их земные проявления

И вновь и вновь взошли на Солнце пятна,

И омрачились трезвые умы,

И пал престол, и были неотвратны

Голодный мор и ужасы чумы.

И вал морской вскипел от колебаний,

И норд сверкал, и двигались смерчи,

И родились на ниве состязаний

Фанатики, герои, палачи.

И жизни лик подернулся гримасой:

Метался компас – буйствовал народ.

А над землей и над людскою массой

Свершало Солнце свой законный ход.

О ты, узревший солнечные пятна

В великолепной дерзости своей —

Не ведал ты, как будут мне понятны

И близки твои скорби, Галилей!

Александр Чижевский

Я не стыжусь, что ярый скептик

и на душе не свет, а тьма:

сомненье – лучший антисептик

от загнивания ума.

Игорь Губерман

Тысячи путей ведут к заблуждениям, к истине – только один.

Ж.-Ж. Руссо

Основная ошибка, которой следует остерегаться, – полагать, что мы знаем больше, чем на самом деле.

Сократ

Влияет ли Солнце на происходящее на Земле? Ответ очевиден. Можно сказать так: все, что происходит на поверхности Земли, осуществляется благодаря трансформированной солнечной энергии. Факт наличия газообразной атмосферы и жидкой гидросферы на Земле обусловлен постоянным приходом солнечного тепла. Движения воды в океане и воздуха в атмосфере, круговорот воды в природе, ток рек, жизнь биосферы – все это питается солнечной энергией. Небольшой вклад в энергобаланс земных оболочек вносит тепло, просачивающееся из глубин Земли. Поэтому, с учетом последней оговорки, можно утверждать: облик нашей планеты нарисован Солнцем.

Стабильность средней температуры на Земле обеспечивается высоким постоянством солнечного энерговыделения. Напомним: поток солнечной энергии колеблется на короткой временной шкале, но не больше чем на 0,5 %.

Впрочем, все это люди интуитивно понимали уже очень давно, задолго до возникновения науки. Вопрос, на самом деле, состоит в другом. Понятно, что спокойное Солнце обеспечивает на Земле те стабильные условия, которые позволяют нам на ней существовать. Но влияет ли на эти условия Солнце активное? Оказывает ли воздействие на земные процессы сложная и многогранная солнечная активность, – или эти причудливые игры солнечных магнитных полей в 150 миллионах километров от нас никак на нас не влияют – как ни на что не влияют (кроме наших эстетических чувств) сменяющиеся картинки в калейдоскопе?

Этот вопрос возник давно, и вокруг него до сих пор идут бурные споры. На первый взгляд, влиять вроде бы нечему. Замкнутые петли магнитного поля солнечных пятен до Земли не достают. Если же во время вспышек заряженные частицы и выбрасываются в космос, то магнитное поле Земли не пускает их в атмосферу. Усиление потока ультрафиолетового и рентгеновского излучения во время вспышек также не пропускается к поверхности Земли ее воздушной оболочкой. В результате даже во время мощных солнечных вспышек загорать не опаснее, чем обычно: поток ультрафиолета у поверхности Земли почти не меняется. В общем, от Солнца мы достаточно далеки и вдобавок прикрыты от всплесков его излучений щитами атмосферы и магнитного поля.

Но так ли верен этот первый взгляд?.. 6 мая 1852 года на заседании Лондонского королевского общества (академии наук) был зачитан мемуар Эдуарда Сабина, в котором говорилось об удивительном совпадении циклов солнечных пятен и циклов так называемых магнитных бурь. Этот термин предложил выдающийся немецкий естествоиспытатель, барон Александр фон Гумбольдт (1769–1859). Магнитные бури проявлялись в том, что иногда стрелки компасов начинали беспорядочно поворачиваться. При этом выяснилось, что это явление имеет глобальный характер: международная сеть первых магнитометров, введенная в строй по настоянию Александра фон Гумбольдта и выдающегося математика физика и астронома Карла Гаусса (1777–1855), фиксировала магнитные бури одновременно на пяти континентах! Сабин указал, что эпохи минимумов и максимумов для циклов солнечных пятен, обнаруженных Швабе, и циклов магнитных бурь полностью совпадают. 31 июля того же года об аналогичном выводе заявил Рудольф Вольф в Берне, 18 августа – Альфред Готье в Сионе. Это тройное открытие подтверждало объективность сделанных выводов.

Со временем статистика пополнялась. Появление аномально крупных групп пятен на Солнце неоднократно сопровождалось магнитными бурями и полярными сияниями. В феврале 1892 года наблюдалась просуществовавшая на протяжении пяти оборотов Солнца самая крупная группа пятен за всю предыдущую историю наблюдений. Прохождение этой группы пятен по солнечному диску сопровождалось мощным полярным сиянием. Новые и новые случаи подтверждали обнаруженную закономерность.

Как было указано выше, 1 сентября 1859 года Кэррингтон впервые в мире наблюдал на Солнце «белую вспышку». В этот период, с 28 августа по 4 сентября, на всем земном шаре бушевала магнитная буря. Направление и напряженность магнитного поля Земли стремительно и бессистемно менялись. Стрелки компасов беспорядочно метались. Прервались телеграфные сообщения, телеграфные аппараты искрились. Наблюдались мощнейшие полярные сияния, которые охватили огромные площади, спустившись до низких широт. Магнитометры зарегистрировали сильнейший всплеск магнитного поля Земли как раз в тот момент, когда Кэррингтон и Ходжсон наблюдали вспышку на Солнце…

Рис. 25. Вид группы пятен воспроизведен по зарисовке Кэррингтона. Гигантская группа пятен в сентябре 1859 года породила серию мощных вспышек, на Земле разразилась сильнейшая магнитная буря

По выражению Бальфура Стюарта, наблюдателя Солнца в обсерватории Кью, «Солнце было захвачено на месте преступления!»

Сегодня мы знаем, что причиной магнитных бурь и полярных сияний являются не сами пятна, но результаты мощных солнечных вспышек, которые происходят вблизи пятен. Мощные потоки протонов спустя сутки-двое после вспышки достигают внешней магнитной оболочки Земли – так называемой магнитосферы, вызывая в ней сильные изменения (магнитные бури). Но поскольку мощных вспышек без пятен не бывает, цикличность пятен определила и цикличность магнитных бурь.

Исследования в ХХ веке показали, что солнечные вспышки изменяют состояние самых верхних слоев земной атмосферы – так называемой ионосферы. Потоки заряженных частиц, прибывающих сюда от Солнца, а также потоки энергичного коротковолнового излучения (рентгеновского и ультрафиолетового) повышают степень ионизации ионосферы. В результате в ионосфере возникают мощные электрические токи, сопровождающиеся, в свою очередь, целым набором электромагнитных явлений, включая генерацию колебаний и волн различной частоты. Изменения в ионосфере приводят к нарушениям радиосвязи.

Электромагнитные явления, вызываемые солнечными событиями, иногда бывают очень мощными. Известен знаменитый случай, когда в марте 1989 года частицы крупнейшей солнечной вспышки навели сильные токи в обмотке силового трансформатора в канадской провинции Квебек. В результате аварии целая провинция несколько часов была обесточена. Известны случаи выхода из строя электронных датчиков железнодорожной сигнализации, появления непредвиденных токов в сетях электропередач.

Можно вспомнить и сравнительно недавний случай. Крупная вспышка в декабре 2006 года (на предминимальной стадии 23-го цикла) дала аномально мощный поток радиоизлучения в широком диапазоне частот, включая частоты, на которых работают приемники спутниковой системы глобального позиционирования GPS. По свидетельству иркутского геофизика Эдуарда Леонтьевича Афраймовича, исследовавшего феномен, в течение нескольких минут эта стратегическая система не работала: радиошум от Солнца превышал уровень полезного сигнала спутников! Подобный случай наблюдался и в октябре 2003 года во время серии крупнейших солнечных вспышек.

В первые годы космических исследований, бывало, выходила из строя бортовая аппаратура на спутниках, не рассчитанная на экстремальные воздействия со стороны Солнца. Исследования показали, что в фазе максимума цикла солнечной активности атмосфера Земли «распухает», ее плотность на больших высотах несколько увеличивается. Примеров такого рода можно привести огромное количество. На сегодняшний день влияние солнечной активности на магнитосферу и ионосферу Земли можно признать очевидным. Связь мощных солнечных вспышек с последними изучена достаточно хорошо. Здесь, в отличие от многих других феноменов, построены физические модели воздействия потоков солнечных частиц и излучений на магнитосферу и ионосферу Земли, и в этом смысле исследования уже давно перешли на уровень конкретных физических задач с известными начальными условиями. Но оказалось, что следы солнечных воздействий обнаруживаются и во многих других земных явлениях!

Исследования солнечно-земных связей неизменно (и справедливо) связываются с именем Александра Леонидовича Чижевского (1897–1964), выполнившего цикл пионерных исследований в этой области.

Основная идея заключалась в следующем. Как известно, около 99 % массы Солнечной системы приходится на Солнце. Солнце находится достаточно близко к Земле (всего 109 земных диаметров). Планета погружена в непрерывный, переменный по многим параметрам, поток электромагнитного и корпускулярного излучений Солнца, которые предположительно определяют многие процессы на Земле. Циклические (квазипериодические) и импульсные вариации потоков этих излучений должны оказывать влияние на земные оболочки, и поэтому можно ожидать, что многие параметры, описывающие состояние земных природных систем, могут модулироваться циклами солнечной активности.

Первые намеки на такую связь появились еще 200 лет назад. Уильям Гершель в 1801 году обнаружил, что цены на пшеницу повышаются, когда Солнце свободно от пятен. Другими словами, рост количества пятен на Солнце и обилие корма на Земле наступали одновременно. Естественно, возникала мысль о поисках связи между пятнами на Солнце и погодными условиями на Земле. Но здесь ясная связь не просматривалась…

Разумеется, идея о влиянии солнечной активности на земные процессы принадлежала не одному Чижевскому. Здесь можно упомянуть петербургского врача М. В. Соколова, шведского исследователя Сванте Аррениуса, французского аббата и астронома Т. Морэ, профессора МГУ М. А. Боголепова и многих других. Но, пожалуй, именно Чижевский занимался разработкой этой концепции наиболее серьезно, глубоко и системно.

Основным инструментом Чижевского было сопоставление длинных временных рядов чисел Вольфа и параметров, описывающих земные процессы. Обычно для этой цели применяется вычисление так называемого коэффициента корреляции, отражающего связь двух изменяющихся величин в среднем. Другими словами, если по различным значениям одной величины можно определить средние значения другой величины, то математики говорят о наличии корреляционной связи. Крайний случай – когда таким образом можно определить не средние значения величины, а непосредственно саму величину. Тогда связь из корреляционной превращается в функциональную, привычную нам по школьной математике (коэффициент корреляции при этом будет равен единице). Если величины меняются абсолютно независимо друг от друга, и нет закономерности, по которой можно было бы найти средние значения одной величины в зависимости от изменений другой, коэффициент корреляции равен нулю. Если коэффициент корреляции оказывается «высоким» – близким к единице (0,7–0,9), говорят о тесной корреляционной связи. В целом, коэффициент корреляции отражает меру уклонения корреляционной связи от линейной функциональной связи.

А. Л. Чижевский собрал и обработал гигантский материал по смертности от различных эпидемий в Европе и России начиная со Средневековья. Ученый применил, помимо сравнивания внешнего вида графиков и вычисления коэффициентов корреляции, новые для того времени методы: сглаживание кривых, сопоставление коэффициентов корреляции при взаимном сдвиге рядов данных, а также эффективный метод наложения эпох, предложенный в 1913 году Кри. Впервые ему удалось обнаружить поразительный эффект: выяснилось, что эпидемии регулярно повторяются, причем период близок к продолжительности цикла солнечной активности – 11 лет!

Это не всегда означало, что максимумы рядов совпадали (максимальное число заболевших не обязательно совпадало по времени с максимумом цикла солнечных пятен), но цикличность явно присутствовала. Любопытно, что по мере введения в действие все более совершенных медицинских средств (все ближе к современности) корреляция становилась все менее ярко выраженной – под влиянием усилий медицины связь эпидемий с солнечной активностью ослабевала.

Работы, выполненные А. Л. Чижевским и другими исследователями в начале – первой половине ХХ века, явили собой пример подхода, который сейчас называется экологическим мышлением: учитывалось, что на исследуемые процессы оказывают одновременное влияние многие разнообразные факторы. Направление исследований, где изучается воздействие флуктуаций солнечной активности на живые организмы, получило название «гелиобиология», основоположником которой признан А. Л. Чижевский.

На сегодняшний день накоплен огромный статистический материал, изложенный в книгах и брошюрах Чижевского и его многочисленных последователей. Периодичности, сходные с солнечными, обнаружились буквально повсюду – в вариациях геомагнитного поля, частоте полярных сияний и появления гало и венцов около Солнца и Луны, уровне ультрафиолетового излучения, напряженности атмосферного электрического поля, грозовой деятельности, интенсивности циклонообразования, эпидемиях, нашествиях саранчи, динамике режима рек, миграциях грызунов. Если обратиться ко всему набору выполненных за столетие работ, может создаться впечатление, что 11-летняя периодичность присутствует чуть ли не во всех процессах, которые мы можем отметить на Земле. Помимо этого основного цикла в земных явлениях нередко выявляется 27-суточная периодичность, связанная с синодическим периодом вращения Солнца. Обычно такая цикличность объясняется так: допустим, некая долгоживущая корональная дыра извергает поток высокоскоростного солнечного ветра. В связи с вращением светила этот поток раз в 27 суток оказывается направленным на Землю. Если этот поток влияет на земные явления, в рядах данных, описывающих это явление, возникнет соответствующая периодичность.

Немалое количество работ, нацеленных на определение корреляции между числовыми рядами, описывающими процессы на Солнце и на Земле, выполнено в минувшие годы и выполняется до сих пор.

Есть данные о том, что поток солнечных нейтрино также слегка меняется с периодичностью в 11 лет. На первый взгляд, такого быть не должно, ведь генерация нейтрино происходит в ядре Солнца, а явления солнечной активности возникают вблизи его поверхности…

Цикличность, сходная с солнечной, была обнаружена и в медицинских показателях, и в социальной деятельности. Анализ статистики вызовов службы скорой помощи по Москве и Санкт-Петербургу в связи с инфарктами и инсультами позволил группе российских и итальянских авторов выявить несомненную связь с сильными геомагнитными возмущениями. В распоряжении гелиобиологов есть данные о корреляции солнечной активности с самоубийствами, активностью микроорганизмов, параметрами дыхания, обмена веществ, состава крови и тому подобное. Выявлялись значимые корреляции между уровнем солнечной (и зависящей от нее геомагнитной) активности и количеством дорожно-транспортных происшествий, обострением психических заболеваний, статистикой зарегистрированных преступлений. Опубликованы работы, в которых утверждается, что от уровня солнечной активности зависит творческая активность поэтов, писателей, художников и ученых и даже активность сексуальных маньяков. На международном симпозиуме «Новый взгляд на солнечно-земную физику», проводившемся в подмосковном Звенигороде в конце 2007 года, был представлен даже доклад о корреляции уровня солнечной (точнее, геомагнитной) активности и активности террористических групп во всем мире!

Чижевский утверждал, что существует связь уровня солнечной активности с интенсивностью политических процессов. В 1924 году в Калуге малым тиражом была издана его брошюра «Физические факторы исторического процесса», где на материале многих столетий (начиная с 500 года до н. э.) рассмотрена «напряженность» исторического процесса – распределенное по оси времени число революций, войн, крестовых походов и тому подобных событий. Был сделан вывод, что число подобных событий также варьируется, подчиняясь 11-летнему закону солнечной цикличности.

Эта пионерная работа представляется весьма важной, однако отсутствие единиц измерения напряженности исторического процесса (значения того или иного события) было и остается существенным недостатком этого исследования. Очевидно, что оценки здесь неоднозначны: события случайные или с участием небольшого числа людей могут, в принципе, оказаться не менее значимыми для истории, чем события с вовлечением огромных масс населения под воздействием гипотетических космических факторов! Сам автор осознавал эту проблему, которая так и осталась нерешенной. Чижевский выделял в своих исследованиях период (год) начала того или иного события, однако отбор самих событий был, несомненно, во многом субъективным. Впрочем, нет сомнения, что наиболее существенные исторические события, конечно же, попали в таблицы Чижевского.

Энтузиаст, идейный наследник и продолжатель дела Чижевского, крымский исследователь Борис Михайлович Владимирский, награжденный учрежденной в 2007 году медалью Чижевского, отмечал, что события ХХ века в целом также подтверждают обнаруженную закономерность. Так, например, военные операции Советского Союза за рубежом (1956 год – Венгрия, 1968 год – Чехословакия, 1980 год – Афганистан), а также Октябрьская социалистическая революция 1917 года и распад СССР в 1990 году приходятся на эпохи максимумов солнечных циклов.

Чижевскому принадлежит идея постановки первых экспериментов по экранированию исследуемых объектов от космических излучений. По-видимому, это были первые шаги на пути перехода ко второму этапу исследований – поиску физических механизмов причинно-следственных связей в цепочке «Солнце – Земля».

Проблема солнечно-земных связей очень сложна, тем более что результаты зависят от метода обработки. Как показали московские исследователи Тамара Константиновна Бреус и Владимир Нухимович Обридко, корреляция многих параметров при описании живых организмов нередко оказывается высокой для коротких рядов данных и низкой – для длинных. Одна из версий заключается в следующем. Влияние существует, но оно сказывается прежде всего на организмах, находящихся в неустойчивом (неравновесном) состоянии, что бывает не всегда. Отсюда низкая воспроизводимость (повторяемость) результатов, что многими физиками воспринимается как свидетельство отсутствия причинно-следственной связи.

Кроме того, есть и еще одна проблема. Исследуемые параметры принципиально зависят от многих факторов, которые очень трудно корректно учесть. Так, в уже упоминавшихся исследованиях группы российских авторов с участием профессора Вилорези (Италия) по статистике сердечно-сосудистых заболеваний в Москве были выявлены двухнедельные и недельные циклы в количестве вызовов скорой помощи. Был сделан вывод, что тут проявились ритмы выдачи авансов и зарплат («пьяные» ритмы), а также ритмы рабочей недели. Помимо этого, на состояние человека, несомненно, влияют метеорологические условия, телепередачи, задержки зарплаты, конфликты в семье и на работе, изменения в стиле жизни, а также огромное количество иных с трудом учитываемых факторов. Мы прекрасно понимаем, что одного слова порой достаточно, чтобы довести человека до инфаркта. Выделить из множества факторов достоверно определяемое влияние солнечной активности – задача, методически очень непростая.

Эта задача усложняется, кроме того, еще и тем, что, судя по всему, разные люди по-разному воспринимают эти влияния. Каждый читатель может привести примеры из собственного опыта, когда изменение погоды на кого-то влияет очень сильно (голова болит, давление скачет, человек предпочитает лежать), а на кого-то не влияет совсем! Есть основания полагать, что, подобно большим различиям в степени метеочувствительности, существуют большие различия и в степени «магниточувствительности» и «гелиочувствительности» у разных людей.

Более того, «гелиочувствительность» человека может меняться со временем! Речь идет не только о ее усилении с возрастом. Один и тот же человек – то уставший, то отдохнувший, то сытый, то голодный, то расстроенный, то в хорошем настроении – будет по-разному реагировать на изменяющиеся факторы внешней среды. Этим (огромным количеством с трудом контролируемых параметров) живые организмы принципиально отличаются от небиологических систем. Поэтому, ставя задачу выявить влияние солнечных факторов, необходимо быть уверенными, что все остальные факторы остаются неизменными, а как раз в этом-то уверенности быть не может!

Один из путей решения проблемы – использование огромной статистики. Можно (с некоторой натяжкой) считать, что если усреднить данные по многим тысячам людей, среди которых всегда есть и больные, и здоровые, и уставшие, и отдохнувшие, то некое среднее состояние будет несущественно меняться со временем. Тогда появившийся новый внешний фактор, возможно, и удастся выделить. Ясно, что методику таких расчетов и оценок нужно прорабатывать очень тщательно. При этом набор большого количества данных для статистической обработки в большинстве случаев оказывается затруднен…

В итоге, отчасти из-за этого, отношение к данной проблеме в обществе в целом, и в научном сообществе в частности, было и остается весьма неоднозначным. Есть немалое количество людей, которые отрицают сам факт возможного влияния солнечной активности на живые организмы. В частности, есть мнение, что сам по себе факт корреляции еще не доказывает наличия причинно-следственной связи между событиями на Солнце и на Земле.

Один из крупнейших ученых в области солнечной физики, голландский астроном Корнелис де Ягер, президент многих авторитетных астрономических сообществ, высказывал, пожалуй, крайний вариант отношения к проблеме, относя гелиобиологию к разряду лженауки.

Де Ягер, в частности, писал следующее (перевод В. М. Можжерина): «Псевдонаука пользуется научной терминологией, но не научными критериями – таково простейшее определение псевдонауки. В ней часто бывает трудно доказать сложность утверждения, т. е. трудно доказать, что это не истина. Как указывал С. Гулд, “достоинством науки как системы является то, что она <…> обнаруживает свои ошибки”. Псевдонаука этого не делает. <…> “Семь грехов псевдонауки” были недавно описаны А. Дирксеном, – указывает далее К. де Ягер. – Три наиболее тяжких греха, по его мнению, следующие: спекуляция, основанная на недостаточных наблюдательных данных; необоснованная иммунизация; необоснованный силлогизм».

Спекуляция в науке – это не перепродажа товара по повышенной цене, как в экономике. Смысл этого термина – преждевременное формулирование недостаточно обоснованных выводов, когда доказанных научных фактов для этого не хватает.

Иммунизацией де Ягер называет отбраковку нежелательных эмпирических данных, отбрасывание и замалчивание фактов, которые противоречат избранной концепции. Иммунизация в науке – это нарушение одного из основополагающих принципов научного метода – принципа честности, сформулированного нобелевским лауреатом по физике Ричардом Фейнманом. К сожалению, как и спекуляция, иммунизация нередко присутствует в методически невыверенных исследованиях.

Необоснованный силлогизм – это утверждение, в котором малая посылка является лишь вероятной, но вовсе не обязательно истинной, хотя необоснованно принимается за истину.

«Большая группа псевдонаучных теорий, – писал, кроме того, де Ягер, – базируется на ошибке, принимающей корреляцию за причину. Поучительный пример: уровень уличного освещения во многих странах возрос с 1950 года, то же самое произошло с уровнем преступности. Если нанести на график уровни преступности и уличного освещения для США, то получится замечательно прямая линия с коэффициентом корреляции около 0,9. Можно сделать вывод, что уличное освещение создает условия для преступлений!»

Это серьезное замечание. Действительно, в большинстве случаев авторы работ по гелиобиологии полагают, что высокая степень корреляции либо совпадение периодов однозначно указывает на причинно-следственную связь между разными типами явлений. На самом деле, это вовсе не обязательно!

Следует заметить, что процессы, которые описываются циклическими (квазигармоническими) зависимостями, могут быть формально выражены в виде функций других, также квазигармонических процессов. При этом фактических причинно-следственных связей, вообще говоря, может и не быть. Такая параметризация одной величины по другой, реально от нее не зависящей, позволяет установить формальную математическую функциональную зависимость двух в действительности независимых величин и даже успешно прогнозировать поведение одной величины на основании особенностей поведения другой.

По-видимому, подобные эффекты лежат в основе астрологии. На сегодняшний день можно уверенно говорить, что положение планет на судьбы людей не влияет (об этом подробно сказано в моей книге «Мифы минувшего века»). Но если циклически повторяющиеся конфигурации планет могут указывать на циклически повторяющиеся всплески солнечной активности, которые заподозрены в реальном влиянии на биосферу, – то это обстоятельство могло породить астрологию. Эту гипотезу выдвинул уже упоминавшийся Б. М. Владимирский. Более широко известный пример – система мира Аристотеля – Птолемея, использовавшая для прогноза положения планет принципиально неверную систему эпициклов.

Что касается совпадения периодов, то в Солнечной системе есть множество примеров тому. В периодах обращения (вокруг Солнца) и вращения (вокруг своих осей) некоторых планет и их спутников, а также в периодичности повторения одинаковых конфигураций (взаимного расположения двух планет и Солнца) обнаружено немало удивительных на первый взгляд совпадений, или резонансов! Гипотезу, объясняющую эти совпадения, предложил известный математик А. М. Молчанов. Солнечная система, рассматриваемая как система слабо связанных маятников (вращение и обращение – это, безусловно, типы колебаний), существует уже как минимум 4,5 миллиарда лет. За это громадное, с трудом представимое время благодаря слабым силам трения, возникающим из-за приливных возмущений в гравитационно взаимодействующих небесных телах, Солнечная система могла постепенно выйти на некий «кооперативный» режим своего состояния, в котором все стабильные периоды со временем оказались связанными между собой почти целочисленными (резонансными) соотношениями. Другими словами, вся Солнечная система оказалась вовлеченной в единый колебательный режим. Солнце как основной элемент системы не должно быть исключением.

Это означает, что вполне могут существовать резонансные периоды в земных процессах, совпадающие с солнечными периодами. Но прямой причинно-следственной связи в обычном понимании здесь может и не быть! Кроме того, конечно, среди связанных периодов могут быть и случайные совпадения – особенно в тех процессах, где наблюдается одновременно множество различных, но близких по величине периодов.

Причинно-следственную обусловленность сходных периодов необходимо доказывать, рассматривая возможные физические механизмы! И вот тут-то возникают основные сложности гелиобиологии. Механизмы возможного влияния остаются неизвестными. Именно это позволяет скептикам отрицать наличие солнечно-земных связей (исключая процессы в ионосфере и магнитосфере, где влияние доказано прямыми измерениями, а действующие физические механизмы в общих чертах понятны).

Есть еще одна причина (с точки зрения автора этой книги), по которой выводы гелиобиологов пока не попадают в учебники и энциклопедии. Исторически так сложилось, что к гелиобиологии относились настороженно и коллеги-ученые, и государство (во всяком случае, в нашей стране). Гипотеза об обусловленности социальных революций солнечной активностью была вопиющим антимарксистским тезисом, который никак не мог понравиться советской власти. Подобно католической церкви, выступившей против новой гипотезы гелиоцентризма, советская государственная машина начала препятствовать развитию гелиобиологии. А. Л. Чижевский был репрессирован и длительное время находился в сталинских лагерях. На протяжении долгих десятилетий гелиобиология развивалась, находясь в полулегальном состоянии.

Печальная традиция сохранилась и в более поздние времена. Критическое отношение к проблеме со стороны многих исследователей (прежде всего, физиков и, в какой-то мере, биологов) привело к тому, что гелиобиология длительное время продолжала считаться некой если не «ненастоящей», то «полунастоящей» наукой. Особенности научного стиля А. Л. Чижевского этому, по-видимому, некоторым образом способствовали: его энтузиазм, его не принятая в научной литературе манера поэтически и порой чрезмерно эмоционально описывать свои соображения и результаты, его нередкие сопоставления внешнего вида графиков без применения корректного математического анализа ставили молодую науку в особое положение. Были и есть исследователи, которые избегают работать в этой области, опасаясь испортить свою научную репутацию: кое-кто из влиятельных ученых и чиновников от науки до сих пор относит гелиобиологию к разряду если не лженаук, то как минимум псевдонаук. Кроме того, высокая сложность проблемы, отсутствие корректных математических методов, которые могли бы надежно вычленить слабое влияние гелиофизических факторов среди множества других, и в связи с этим низкие шансы на получение достоверных результатов также отвращают потенциальных исследователей от этой темы.

Но выше уже не раз упоминалось, что наука развивается по своим внутренним законам, и потребность в изучении крайне сложной научной проблемы, безусловно, назрела давно. Поэтому многие научные группы и отдельные ученые настойчиво продолжают свои изыскания, публикуют результаты, собираются на конференции. Эти специфические конференции, проходящие чаще всего без участия коллег из сопредельных областей науки, иногда выглядят просто как «тусовки» единомышленников. Но при этом неизбежно падает степень критичности отношения к собственным результатам! Сборники работ таких конференций содержат очень разные по уровню результаты: наряду с корректно выполненными исследованиями по всем законам научного метода нередко появляются и методически несовершенные статьи, к которым можно применить все претензии Корнелиса де Ягера, резко реагировавшего именно на такого рода работы.

Следует еще раз указать: довольно большая доля работ по рассматриваемой проблематике ограничивалась установлением формальной корреляционной связи между солнечными и земными параметрами. На этой основе делался вывод о причинной обусловленности, что, может быть, и возможно, но в ряде случаев вовсе не очевидно.

Понятно, что появление таких работ, тем более опубликованных без принятого в науке рецензирования экспертами, приводило скептиков к усилению их убеждения: гелиобиология – это сплошная чепуха.

К сожалению, компрометировали тему и откровенные фальсификации. Начиная с середины 1980-х годов в отечественных газетах широко публиковались прогнозы неблагоприятных в медицинском отношении дней, которые готовила группа новосибирского медика В. И. Хаснулина. Утверждалось, что группа освоила метод заблаговременного прогноза геомагнитных бурь, и указывалось, в какие именно дни следующего месяца следует ожидать неприятностей, негативно влияющих на здоровье. Неоднократные проверки показали, что прогнозы несостоятельны: практически никогда в предсказанные дни магнитных бурь не было. Автор данной книги, 20 лет проводивший наблюдения хромосферы Солнца, видел немало вспышек, но должен со всей ответственностью сообщить, что предсказать вспышку на Солнце за месяц, к сожалению, невозможно. После обоснованной критики В. И. Хаснулин стал утверждать, что в основу его прогнозов заложена информация не о магнитных бурях, а о так называемых гравитационных аномалиях в Солнечной системе. Помнится, к заседанию ученого совета иркутского Института солнечно-земной физики СО РАН я готовил сообщение о несостоятельности и этой концепции. Я не сомневаюсь, что В. И. Хаснулин понимал, что его прогнозы не имеют никакого отношения к действительности: слишком убедительными были контрдоводы. Тем не менее, на протяжении длительного времени прогнозы В. И. Хаснулина являлись, по сути, успешным бизнесом. Эта история тоже наложила негативный отпечаток на общественное мнение по поводу всей тематики в целом.

Все перечисленные обстоятельства в совокупности создали проблеме солнечно-земных связей весьма неоднозначный имидж. Научная несостоятельность некоторых работ, очевидная для научного сообщества, привела к тому, что в глазах многих серьезных ученых, особенно физиков, проблема, точнее ее рассматриваемая часть, стала выглядеть несолидной. В результате заметная часть соответствующих исследований, проводимых в нашей стране, выполняется на инициативной основе, без планового финансирования, и получение грантов от научных фондов по этой теме в настоящее время выглядит проблематичным. Определенный кризис связан еще и с тем, что продолжающееся выявление новых и новых корреляций практически ничего не добавляет к пониманию сути проблемы.

Уже упоминавшийся звенигородский симпозиум по солнечно-земной физике, проходивший в ноябре 2007 года, мне представляется во многом историческим. Здесь председатель научного совета РАН по солнечно-земной физике, председатель программного комитета, академик Гелий Александрович Жеребцов вручал первые медали Чижевского, только что учрежденные. Здесь впервые за многие годы работала полноценная секция гелиобиологии, на которой не хватало мест, и присутствовали многие ведущие ученые в области солнечно-земных связей, солнечники, геофизики, включая директоров ведущих академических институтов, работающих в космической области. И здесь давняя болезнь гелиобиологии проявилась в полной мере: уровень представленных работ и степень доказательности сделанных выводов оказались существенно различными. Прозвучали, например, два доклада о влиянии проявлений солнечной активности на аварийность в авиации, – и выводы двух авторов были в корне противоположными. Однако выводы руководителей симпозиума были, как мне представляется, правильными: исследования необходимо поддерживать, продолжать и развивать, но надлежит добиваться высокого уровня выполняемых работ и их соответствия самым высоким требованиям, предъявляемым научным методом. Такой подход может привести к критическому переосмыслению ряда полученных результатов, но в целом конструктивный подход к гелиобиологии будет полезен для нее. В результате появляется надежда, что в этой непростой области научных исследований будет прогресс. Несмотря на точку зрения скептиков, мнение научного сообщества постепенно поворачивается к взгляду о том, что всестороннее влияние солнечных процессов на земные процессы объективно существует. В портфеле исследователей сложной проблемы солнечно-земных связей есть и гипотезы о возможных механизмах воздействия.

Перечислим список (очевидно, неполный) основных идей, выдвинутых в процессе исследований в ХХ веке. Первая идея уже упоминалась выше. А. М. Молчанов указал на существование целого ряда частотных резонансов в Солнечной системе, отражающих характеристики движения планет. Гипотеза заключается в том, что в процессе эволюции объектов Солнечной системы постепенно сформировались определенные (резонансные) соотношения между периодичностями совершенно разнородных процессов. При этом причинно-следственные связи в общепринятом смысле отсутствуют, а синхронизация колебательных процессов осуществилась за длительное время при наличии слабых энергетических связей между осцилляторами.

Следующая (хотя, хронологически, наверное, первая) – идея вариаций электромагнитного фона на Земле. Ясно, что в период повышения солнечной активности вследствие «ударов» со стороны потоков частиц и коротковолновых солнечных излучений по ионосфере и магнитосфере Земли в последних возникают многочисленные и разнообразные возмущения. Они должны сказываться на электромагнитном поле в нижних слоях земной атмосферы, что, в свою очередь, предположительно должно влиять на живые организмы.

Сомнения вызывает следующее обстоятельство. Изменения электромагнитного поля Земли даже во время сильнейших магнитных бурь не превышают 0,02–0,04 % величины самого геомагнитного поля. В то же время колебания промышленных магнитных полей в городах превышают уровень естественных вариаций в десятки и сотни раз, – казалось бы, если поля и их изменения вообще влияют на состояние живых организмов, влияние созданных человеком полей оказалось бы сильным и наглядным, однако это не так.

Что касается корпускулярной компоненты (потоков частиц), то магнитосфера и атмосфера Земли являются надежными щитами, и непосредственного проникновения частиц на поверхность Земли практически не происходит, за исключением редких ситуаций с крупными протонными вспышками. Поэтому вопрос о механизмах остается самым сложным, и собственно здесь решение проблемы забуксовало. Одним из выходов из тупика может оказаться гипотеза о влиянии не амплитуды, а частоты воздействия: не исключено, что важна не величина солнечного сигнала, а та частота, на которой он передается земным системам. Некоторые частоты в организмах могут оказаться чувствительными, и попадание в резонанс в таком случае должно вызвать сильный отклик. Эта гипотеза нуждается в тщательных проверках на практике.

Близка к этой идеологии и еще одна идея – информационного воздействия. Ее смысл заключается в том, что связь солнечных и земных процессов осуществляется с помощью относительно слабых, «информационных» сигналов-триггеров, не вносящих дополнительную энергию в земные оболочки, но просто «включающих» собственные колебательные или непериодические процессы на Земле. Механизмы такого управляющего воздействия при этом также остаются в общем случае неясными.

Наибольшие надежды в настоящее время возлагаются на идею физико-химического воздействия агентов солнечного происхождения (излучений и колебаний) на земные процессы на уровне молекул и даже атомов. Суть гипотезы заключается в следующем. Возможно, электромагнитное поле на Земле, которое изменяется под воздействием солнечной активности, влияет на физико-химические характеристики вещества (речь идет об очень слабых полях, дополнительная энергия в систему не вносится). Например, переменное поле действует на систему дефектов дислокаций отдельных узлов в кристаллической решетке твердого тела либо на свойства раствора. Если солнечная активность влияет на геофизические поля, то поля, в свою очередь, влияют на свойства вещества на молекулярном (а может быть, и атомном) уровне.

Описываемые факторы относятся к разряду практически не контролируемых. Эффект очень мал, однако современные прецизионные измерительные системы позволяют регистрировать подобные «тонкие» явления. Общая идеология заключается в том, что если вариации солнечной активности оказывают пусть даже слабое воздействие на свойства вещества, то в итоге на уровне сложных систем, включая биологические объекты, эти изменения могут оказаться уже более существенными, сложным образом варьируя состояние систем. Для сложных систем с нелинейными обратными связями (например, живой организм) эффект может быть весьма значительным.

Уже упоминавшийся Б. М. Владимирский и его коллеги, разрабатывая эту гипотезу на основе ряда тонких экспериментов, предполагают, что им удалось обнаружить новое свойство вещества – магнитопластичность, то есть изменение внутренней структуры вещества и его свойств (например, упругости) под влиянием вызванных процессами на Солнце изменений в магнитном поле Земли. Физическая природа эффекта магнитопластичности (если он действительно существует) может быть связана, по мысли авторов гипотезы, с так называемым ядерным магнитным резонансом (ЯМР). ЯМР – это эффекты, связанные с расщеплением энергетических уровней атомного ядра во внешнем магнитном поле (зеемановским расщеплением) либо во внешнем электрическом поле (штарковским расщеплением). Переход атомных ядер из одного возможного состояния в другое (характеризуемый разными подуровнями энергии) должен приводить к избирательному поглощению веществом электромагнитного излучения на резонансной частоте.

Если атомы с изотопами, обладающими магнитным моментом (например, водород, азот, фосфор, хлор, натрий, калий), находятся в статическом магнитном поле (на Земле – это геомагнитное поле), то внешнее переменное поле (солнечного происхождения) на определенной частоте при резонансном поглощении должно вызывать изменение населенности расщепленных энергетических подуровней. Последнее изменение может предположительно влиять на кинетику многих физико-химических явлений.

Пока неясно, действительно ли существует сам эффект магнитопластичности (нужны независимые эксперименты), а если существует, то объясняется ли он эффектом ЯМР или же причина в чем-то другом. Как писал Д. И. Менделеев, лучше неправильная гипотеза, чем никакой! Во всяком случае, здесь предложена хоть какая-то идея, которую можно проверять.

Если концепция Б. М. Владимирского окажется верной, то откроется возможность объяснения целого ряда эффектов – например, упоминавшейся выше 11-летней периодичности в данных по регистрации солнечных нейтрино, 160-минутных колебаний, повсеместно обнаруживаемых во Вселенной, и ряда других. По мнению Б. М. Владимирского, все это – суть артефакты (изменения в параметрах самих измерительных установок), которые порождаются солнечной активностью.

Впрочем, есть и иные версии по поводу 11-летней периодичности потока нейтрино. Гипотеза, которую выдвигал В. Н. Обридко, заключалась в том, что нейтрино «чувствуют» магнитные поля, отклоняясь полями многочисленных активных областей на Солнце на фазе максимума солнечной активности. Именно поэтому общее количество зарегистрированных частиц зависит от фазы цикла солнечной активности. Правда, для этого нейтрино должны обладать магнитными свойствами…

Любопытные результаты были получены группой исследователей во главе с В. В. Цейтлиным. Эксперименты показали, что проводимость обработанной радиоактивным излучением воды меняется коррелированно с напряженностью атмосферного электрического поля. Может быть, изменениями в параметрах воды, на которые влияют флуктуации геомагнитного поля «под управлением» солнечной активности, и объясняются вариации состояния в организме? Иркутский геофизик Владимир Александрович Пархомов полагает, что главным действующим фактором могут оказаться инфразвуковые волны, генерируемые в верхней атмосфере во время сильных ионосферных возмущений, порождаемых Солнцем. Томские исследователи под руководством А. Г. Колесника показали, что радиоизлучение на определенных частотах (как искусственное, так и естественное) может влиять на состояние организма…

В общем, понятно, что второй этап исследований в области солнечно-земных связей, по сути говоря, только начинается. Если факт влияния вариаций солнечной активности на земные процессы, похоже, установлен всей совокупностью многочисленных работ, выполненных на протяжении предыдущего столетия, то достоверно установить, как работают физические механизмы влияния, еще предстоит. Это, как указано выше, чрезвычайно сложная задача. Впрочем, у автора нет сомнений, что научный метод и здесь одержит победу.

Послесловие

Когда бы зримый мир был снят, как покрывало,

И ты бы механизм Вселенной увидал,

Где страшно просто все, и всех начал начало,

В предельной краткости, как дифференциал, —

Какая б жгучая тоска тебя объяла

И в иллюзорный мир ты б радостно вбежал.

Александр Чижевский

Человек, сдвигая горы, заявляет: я велик!

И колышется в просторах комариный крик…

И внимая этим крикам, молвит Солнце в вышине:

«Ладно, дядя, будь великим, только помни обо мне…»

Глеб Горбовский

Книга окончена.

Мы попытались рассмотреть, как эволюционировали взгляды человека на то, что такое Солнце, как оно устроено и как то, что происходит на Солнце, влияет на то, что происходит на Земле. Эта история, продолжавшаяся два тысячелетия, конечно же, не завершена. Прогресс в наших знаниях о дневном светиле колоссален: мы узнали очень многое. Однако очень многое остается неизвестным…

Еще один пример напоследок. Официальная парадигма, которую поддерживают многие политические лидеры, заключается в том, что глобальное потепление, наблюдавшееся на протяжении всего ХХ века, обусловлено влиянием человека. Этот вывод содержится в документах, подготовленных международной комиссией экспертов под эгидой ООН.

Однако в этих документах отсутствуют ссылки на многочисленные вполне доказательные исследования, указывающие на связь уровня солнечной активности с климатом! То, что в XIII веке было ничуть не холоднее, чем в конце века ХХ, хорошо известно, но никому и в голову не приходит связывать давний теплый период с выбросами антропогенных газов в атмосферу. Сильное похолодание во время маундеровского минимума солнечной активности тоже не учтено при подготовке выводов комиссии. Взвешенный взгляд на эту проблему, изложенный, например, в монографии Владимира Нухимовича Обридко и Юрия Анатольевича Наговицына, показывает, что точку в этих исследованиях ставить еще рано. Не исключено, что вклад Солнца в изменения климата невелик (в упомянутой монографии показано, что величина этого вклада зависит от временнóй шкалы, на которой мы рассматриваем процесс), но пренебрегать им нельзя.

В науку о Солнце и солнечно-земных связях порой вмешивались и вмешиваются и священники, и политики, и фальсификаторы, и исследователи, нарушающие принципы научного метода. Тем не менее, если наука будет существовать как часть общечеловеческой культуры, нет сомнения, что она (наука) рано или поздно доберется до истины. Хочется надеяться, что многие загадки Солнца будут решены еще при нашей жизни. Очевидно, будут и новые загадки, разбираться в которых предстоит будущим поколениям исследователей будущих десятилетий и веков.

В заключение хочу выразить благодарность моим дорогим коллегам по Институту солнечно-земной физики СО РАН и астрономической обсерватории ИГУ, чья моральная поддержка помогла при подготовке рукописи. Отдельное спасибо доктору физико-математических наук Наталье Михайловне Фирстовой, прочитавшей рукопись и сделавшей ряд полезных замечаний. Огромная благодарность рецензентам этой книги, члену-корреспонденту РАН Виктору Михайловичу Григорьеву за полезную критику, замечания и уточнения.

Я благодарен иркутскому журналисту Оксане Гордеевой, которая провела по моей просьбе опрос ребятишек из иркутского ведомственного детсада РАО ЖД. Их высказывания о Солнце (помимо прочих) использовались в качестве эпиграфов к разделам книги.

Последние же слова я позаимствовал из книги Алины Иосифовны Еремеевой «История метеоритики», найденные для нее ее супругом, известным астрономом Феликсом Александровичем Цициным, к сожалению, ныне уже ушедшим из жизни. Эти слова принадлежат Марку Валерию Марциалу и сказаны в I веке н. э.:

«Есть в моей книге хорошее. Кое-что слабо. Немало есть и плохого. Других книг не бывает, мой друг…»

Делайте ваше дело,

поглядывая на небеса,

как бы оно не задело

души и телеса,

если не будет взора

редкого на небеса,

все позабудется скоро,

высохнет, как роса.

Делали это небо

богатыри, не вы.

Небо лучше хлеба.

Небо лучше Невы.

Протяжение трассы —

вечность, а не век.

Вширь и вглубь – пространство.

Время – только вверх.

Борис Слуцкий

Иллюстрации

Солнце 9 сентября 2014 года в лучах линии водорода Н-альфа.

Снимок обсерватории Канцельхох, Австрия

Солнце в ультрафиолетовых лучах (длина волны 17,1 нм).

На юго-западном лимбе (справа снизу) видны высокие магнитные корональные петли. Снимок Обсерватории солнечной динамики (SDO), NASA

Петли магнитного поля в короне Солнца над активными областями. Снимок Обсерватории солнечной динамики (SDO), NASA

Солнце 2 августа 2018 года на стадии спада цикла активности. В северной полярной области (черная область в верхней части снимка) видна полярная корональная дыра – область открытого магнитного поля. Изображение в ультрафиолетовых лучах (длина волны 19,3 нм). Снимок Обсерватории солнечной динамики (SDO), NASA

Комплекс активности, включающий сложную группу пятен № 11520 на фоне фотосферной грануляции. Снимок Алана Фридмана

Солнечная корона во время полного затмения 29 марта 2006 года. Изображение синтезировано из множества отдельных снимков В. К. Хондыревым и Э. В. Кононовичем, ГАИШ МГУ

Солнечная вспышка наблюдается как две узких ярких ленты около южной части солнечного пятна. Редкая ситуация, когда свечение заходит в тень пятна и видно в «белом свете», характерна для очень мощных вспышек. Снимок космической обсерватории Hinode, Япония

Спикулы в хромосфере Солнца.

Снимок Шведского солнечного телескопа на острове Ла Пальма

Светлые факелы окружают темные солнечные пятна.

Снимок Национальной обсерватории Langkawi, Малайзия

Фрагмент участка хромосферы Солнца. Снимок К. Реардон, обсерватория Арчетри Национального астрофизического института, Италия

Корональный выброс массы 31 августа 2012 года.

Снимок Обсерватории солнечной динамики (SDO), NASA

Спектры некоторых звезд: Солнца, Сириуса (альфа Большого Пса), Бетельгейзе (альфа Ориона) и Рас Альгети (альфа Геркулеса). Линии поглощения на фрагменте спектра – своеобразные «отпечатки пальцев» химических элементов звезд. Из работы итальянского астронома Анжело Секки (1818–1878)

Спектроскоп прямого видения, 1865 год. Национальный институт астрофизики, Италия

Спектрограф KMOS. Европейская южная обсерватория, Чили

Первый телескоп Галилея. Музей Галилея, Флоренция

Целостатная зеркальная установка Солнечного башенного телескопа (Solar Tower Telescope). Система из двух вращающихся плоских зеркал отправляет изображение Солнца в вертикальную трубу телескопа

Внезатменный коронограф Саянской солнечной обсерватории Института солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук. Снимок автора

Шведский солнечный телескоп на острове Ла Пальма

Фрагменты конструкции Сибирского солнечного радиотелескопа – одного из крупнейших астрономических инструментов. Он состоит из 256 параболических антенн, сгруппированных крестообразно в две линии. На радиотелескопе изучают солнечную активность в микроволновом диапазоне (5,7 ГГц), что позволяет наблюдать активные области и «спокойные» процессы по всему солнечному диску

Фрагмент конструкции и общий план крупнейшего радиотелескопа «РАТАН-600», Карачаево-Черкессия, РФ.

На телескопе ведутся наблюдения различных объектов, в том числе Солнца

Примечания

1

Есть надежда, что времена все-таки меняются. В январе 2008 года в Риме произошло знаменательное событие: 67 профессоров и доцентов престижного университета La Sapienza (включая президента Национального совета научных исследований Италии Карло Маиани) выступили против визита в их учебное заведение Папы Римского Бенедикта XVI, объявив, что «взгляды Папы оскорбляют и унижают» их. Дело было в том, что еще в 1990 году будущий понтифик, пребывая в то время в сане кардинала, процитировал некоего австрийского философа, который полагал, что процесс над Галилеем был целесообразным и правомерным. В петиции университетских ученых Папа был назван «отсталым теологом», которому нет места в храме науки. В результате визит был отменен. Для сегодняшнего католического Рима, по-прежнему с уважением относящегося к Ватикану, это все-таки было яркое событие.

2

Цитируется по уже упомянутой книге Агнессы Кларк «Общедоступная история астрономии в XIX столетии» в переводе товарища (заместителя) председателя Русского астрономического общества В. В. Серафимова, изданной в Одессе в 1913 году.

Content

Сергей Язев
Лекции о Солнце

Предисловие

Лекция первая Солнце на заре цивилизации

Лекция вторая Солнце в центре мира

Лекция третья Солнце темное и холодное

Лекция четвертая Солнце, состоящее из газа

Лекция пятая Солнце, излучающее свет

Лекция шестая Солнце: методика, теория, практика

Лекция седьмая Солнце в разрезе

Лекция восьмая Солнце: вспышки, пятна и проборы

Лекция девятая Солнце: активность в пространстве и времени

Лекция десятая Солнце: всплески и их земные проявления

Послесловие

Иллюстрации

Примечания