Dlaczego Słońce świeci?

Zanim przejdę do głównego tematu artykułu, na samym początku ze względu na bardzo wielki i szybki skok popularności bloga chciałbym podziękować wszystkich za te miłe i mniej miłe komentarze. Mam nadzieję, że chociaż kilka osób, które prawdopodobnie znalazły mojego bloga dzięki Wykop.pl zostaną tutaj na dłużej. Dzięki też wszystkim osobom, które polubiły profil bloga na Facebook. Dzięki też tym, którzy pisali do mnie na priv i zadawali najróżniejsze pytania. W najbliższym czasie z okazji ciekawych pytań jakie dostałem, postaram się opracować jakiś artykuł wyjaśniający poruszone w wiadomościach zagadnienia ;)

Słońce. Najbliższa Nam gwiazda, a zarazem główny powód naszej egzystencji we Wszechświecie. Wielka, rozżarzona kula ognia wschodząca na horyzoncie na wschodzie i zachodząca na zachodzie. Słońce jest głównym obiektem, które 'zasila' Ziemię, poprzez jej ogrzewanie i dostarczanie niezbędnego promieniowania o określonych długościach fali dzięki którym rośliny mogą prowadzić fotosyntezę, wiemy kiedy jest dzień, a kiedy noc, a Ziemia nie jest jedną wielką kulą śniegu unoszącą się w przestrzeni. Dzięki najbliższej Nam gwieździe możemy zawdzięczać naszą egzystencję, ale żeby dojść do tego, dlaczego Słońce jest aż tak istotne, musimy cofnąć się w czasie do momentu jego powstania.

Znajdujemy się teraz w miejscu oddalonym od współczesnych czasów o około 5 miliardów lat. Nie ma jeszcze Ziemi, ani księżyca, nie ma nawet Słońca. W przestrzeni unoszą się jedynie obłoki gazowego wodoru z domieszką helu. Obłoki te wirują dookoła siebie i tu i ówdzie powstają ich zagęszczenia. Z czasem zagęszczenia powiększają się i zbijają ze sobą. Po kilku- kilkudziesięciu milionach lat z pierwotnego obłoku gazowego uformowało się protosłońce. Protosłońce było tworem, który ulegał wielkim naprężeniom. W pierwszych etapach powstawania gwiazdy, obłoki gazowe kurczyły się i zbijały ze sobą tworząc coraz to większy twór, generujący coraz to większe pole grawitacyjne, które 'zmuszało' pozostałe obłoki do zbijania się razem. Po pewnym czasie obkurczania się obłoków, materia rozgrzała się na skutek ściskania i zapadania. W momencie, gdy temperatura w niektórych regionach zapadającego się obłoku przekroczyła temperaturę około 14 milionów Kelwinów zaczęły powoli zachodzić reakcje termojądrowe- w dalszej części tekstu objaśnię na czym one polegają. W momencie, gdy Nasza gwiazda zdołała rozpalić się powstał nowy problem. W wyniku reakcji termojądrowych powstaje ciśnienie skierowane na zewnątrz Słońca. W początkowych okresach istnienia, Słońce wpadało w swoiste drgania. Najpierw protogwiazda zapadała się pod wpływem pola grawitacyjnego i na skutek wzrostu ciśnienia zaczęły zachodzić reakcję termojądrowe. W momencie, gdy reakcje 'rozkręcały się' gwiazda puchła, ponieważ zostało wytworzone ciśnienie skierowane na zewnątrz. W momencie, gdy protogwiazda puchła w tym samym momencie zaczęła się ochładzać na skutek rozprężania co prowadziło do wygaszenia reakcji termojądrowych i ponownego jej skurczenia. I tak działo się przez kilka milionów lat, aż do osiągnięcia przez Słońce względnej stabilności, czyli drgawki te trwały do momentu, aż ciśnienie grawitacyjne równoważyło się z ciśnieniem termojądrowym i tak pozostało, aż do dzisiaj.

Przyjrzyjmy się teraz wewnętrznej budowie Słońca oraz mechanizmach jakie pozwalają mu świecić,  ponieważ jest to główny temat dyskusji. Zaczniemy od jądra, bo trzeba pamiętać  że to właśnie w jądrze Słońca w temperaturze ponad 14 milionów Kelwinów powstaje około 97% całej energii produkowanej przez gwiazdę. Jądro Słońca jest stosunkowo niewielkim tworem o objętości jednej czwartej objętości całości. Jest ono w około 40% wypełnione wodorem i ma gęstość 150 razy większą od gęstości wody. O dziwo w jądrze Słońca panują egipskie ciemności! Wiem, że zaraz spora część ludzi może pomyśleć jakim cudem w najjaśniejszym, najbliższym nam obiekcie mogą panować totalne ciemności, ale odpowiedź jest zdecydowanie prostsza niż nam się wydaje. Jeśli znaleźlibyśmy się w jądrze Słońca zobaczylibyśmy całkowitą ciemności  mimo, że dookoła nas rozgrywały by się miliardy miliardów miliardów nukleosyntez naraz. W każdej sekundzie Słońce spala około 657 milionów ton wodoru w hel, ale jądro pozostaje całkowicie ciemne z tego prostego względu, że są to tak wysokoenergetyczne reakcje, że człowiek nie byłby w stanie ich dostrzec. Działa to podobnie na zasadzie 'niewidzialnego' dźwięku wydawanego przez gwizdek myśliwego- to, że nie słyszymy pisku, nie oznacza, że nie słyszą go w tym wypadku psy. Podobnie jest ze Słońcem- to, że nie bylibyśmy w stanie zobaczyć jądra Słońca ze względu na panujące tam ciemności nie oznacza, że nie powstaje tam energia- przeciwnie! Trzeba pamiętać  że energia jaka powstaje w jądrze gwiazdy jest tak wielka, że nie jesteśmy w stanie jej zobaczyć. Światło widzialne docierające do naszych oczu powstaje w późniejszym okresie, podczas długiej wędrówki fotonów z jądra Słońca do powierzchni. Zbawieniem dla Nas jest fakt, że energia jaka powstaje we wnętrzu Słońca nie dociera do powierzchni Ziemi w takiej formie w jakiej powstaje. Energia wyzwalana w reakcjach termojądrowych we wnętrzu potrzebuje wielu lat (20 000 lat), aby przebić się przez gąszcz atomów o grubości 600 000 kilometrów. W czasie trwania tej wędrówki foton traci część swojej energii, dlatego pewna część fotonów produkowanych przez Słońce trafia do naszych oczu jako widmo światła widzialnego. Cała reszta widma to promieniowanie ultrafioletowe  mikrofalowe, radiowe, gamma itp.
Tyle mówimy o reakcjach termojądrowych, że chyba nadszedł czas, aby po krótcy opisać  czy one są. Ja zajmę się głownie cyklem 'pp' czyli cyklem protonowym, który jest głównym napędem naszej gwiazdy. We wnętrzu Słońca pod wpływem wysokiej temperatury i ogromnych ciśnień z 4 atomów wodoru powstaje jeden atom helu. Reakcja ta złożona jest z 3 głównych etapów. Cykl rozpoczyna się fuzją dwóch wysokoenergetycznych protonów, która jest możliwa w momencie, gdy mają one dostatecznie dużą energię, by pokonać barierę kulombowską- czyli barierę odpychania elektrostatycznego. Zbliżenie protonów jest możliwe dzięki znanemu z mechaniki kwantowej efektowi tunelowemu. W pierwszym etapie fuzji z dwóch atomów wodoru powstaje jądro deuteru, a oprócz tego powstają tzw. 'odpadki' w postaci pozytonu i neutrina elektronowego. W momencie gdy pozyton spotyka się z elektronem następuje anihilacja i powstają dwa kwanty promieniowania gamma, które rozpoczynają długą wędrówkę w kierunku powierzchni Słońca. W kolejnym etapie jądro deuteru łączy się z atomem wodoru tworząc jądro helu zbudowane z 1 neutronu i dwóch protonów. W tym etapie powstaje kolejny, pojedynczy kwant promieniowania gamma. W ostatnim etapie dwa jądra helu (z wcześniejszych etapów) łączą się, dzięki czemu powstaje jedno właściwe jądro helu o 2 protonach i dwóch neutronach oraz dwa atomy wodoru. Jest to główny cykl reakcji, które podtrzymują Słońce przy życiu.  Obok cyklu pp odbywają się jeszcze cykle ppll i pplll. W ppll, który odbywa się w temperaturach wyższych niż 14mlnK z jądra helu 3He z helem 4He powstaje jądro berylu 7Be, a w cyklu pplll w temperaturze przekraczającej 23mlnK może zajść fuzja wodoru i berylu w wyniku której powstaje jądro boru 8B.

Ponad jądrem Słońca w którym zachodzą procesy syntezy termojądrowej roztacza się otoczka jądrowa w której nie ma już miejsca na reakcje termojądrowe z uwagi na za niską temperaturę. Przez otoczkę o temperaturze około 2mlnK energia z wnętrza Słońca transportowana jest na powierzchnię, aż do atmosfery gwiazdy z której ucieka ona w przestrzeń kosmiczną. W momencie podróży energii z ciemnego jądra, kwanty promieniowania tracą części swojej energii przez co 95% promieniowania gamma tworzącego się w jądrze, rozdziela się na każdy typ widma promieniowania. Mały % tej energii my odbieramy jako promieniowanie widoczne- cała reszta jest niedostępna dla naszych oczu.

Zachęcam Was do odwiedzenia zaprzyjaźnionego i dobrze znanego Wam Antykwariatu, w celu poszukania sobie innych książek, które dogłębniej przeanalizują budowę i mechanizm działania Słońca.