Слънцето, част ІІI — Слънцето сега

Днес Слънцето е звезда на средна възраст със следните характеристики:

Възраст: 4,55 милиарда години
Маса: 1,989 × 10^30 kg
Радиус: 695 000 km
Яркост: 3,83 × 10^26 W
Температура: 5779°К
Гориво: 50% от водорода в ядрото е изгорен

Днешното Слънце е съставено от около 70% водород, 28% хелий и по-малко от 2% други по-тежки елементи. Това съотношение се променя с времето заради термоядрения синтез на водород в хелий.

Външните слоеве на нашата звезда се въртят с различни скорости, понеже тя не е твърдо тяло. Периодът на въртене на екватора е 25,4 дни, а на полюсите — 36 дни. Към центъра тази разлика намалява, а ядрото се държи като твърдо тяло.

Условията в ядрото на Слънцето са екстремни: температура от 15,6 милиона Келвина и налягане от 250 милиарда атмосфери. В центъра плътността е повече от 150 пъти тази на водата.

Повърхността на Слънцето се нарича фотосфера. Температурата й е 5779°К. Често се наблюдават слънчеви петна, чиято температура е само 3800°К. Техният диаметър може да достигне 50 000 km. Механизмът на образуването им все още не е изцяло известен.

На милиони километри в пространството около Слънцето се простира короната. Тя може да се види само по време на пълно слънчево затъмнение, а температурата й е над 1 000 000°К. Защо? Това е загадка.

Магнитното поле на Слънцето е много сложно. То се простира много отвъд орбитата на Плутон и е известно като магнитосфера или хелиосфера.

Освен топлина и светлина, Слънцето е източник на т. нар. слънчев вятър. Това е поток от заредени частици (протони, електрони), движещи се с много висока скорост (600 km/s). По време на слънчеви избухвания се освобождават и много по-високо енергийни частици (рентгенови и гама-лъчи), които оказват силно влияние на Земята. Причиняват смущения в радиосигналите, проблеми с електроразпределителните мрежи, както и красивите небесни сияния в полярните области на планетата ни.

Отделяната от Слънцето енергия не винаги е постоянна. Известно е, че съществува 11-годишен цикъл на слънчева активност. През този цикъл звездата ни минава от сравнително спокоен период до активен период с повече слънчеви петна и избухвания. В момента сме в началото на новия активен период.

________
Изображения:
1. Снимка на гигантски протуберанс, направена на 14 септ. 1999 г. от космическата обсерватория за наблюдение на Слънцето SOHO;
2. Снимка на слънчевата корона по време на пълното слънчево затъмнение през 1999 г. Автор: © Luc Viatour GFDL/CC.

Слънцето, част ІІ — Младото Слънце

Свиването на протослънцето продължило около 100 милиона години, когато температурата в центъра му достигнала критичните 15 милиона градуса по Келвин¹. Тогава започнал термоядрен процес, при който водородните атоми се съединяват в хелий и се отделя голямо количество топлина. Слънцето се запалило и се родило.

Енергията, освобождавана от синтеза на хелий, повишила вътрешното налягане и настъпило хидростатично равновесие, при което свиването на Слънцето под действието на гравитационното привличане спряло. Слънчевата светлина и вятър издухали оставащия газ и прах, освен в екваториалната област на протопланетарния диск.

Няколко милиона години по-късно младото Слънце изчистило пространството около себе си и заедно с осемте планети² и милионите други малки тела изградило Слънчевата система.

Запалването на водорода станало преди 4,5 милиарда години. Слънцето има достатъчно гориво, за да живее стабилно общо 11 милиарда години. Младото Слънце било малко по-малко, по-бледо и по-студено от сегашното.

________
¹ - Градусите по Келвин са същите като тези по Целзий, но началото на скáлата е абсолютната нула (0°К = –273,15°С), при която спират всякакви термодинамични процеси. Частиците спират да трептят.

² - На 24 август 2006 г. Международният астрономически съюз дефинира за пръв път понятието "планета" и прекласифицира Плутон, смятаната дотогава за девета планета, като планета-джудже.
Изображение: Рисунка, представяща хипотетична млада звезда и образуващи се газови планети. Credit: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC)

Слънцето, част І — Протослънцето

Общоприетата хипотеза за образуването на Слънцето и Слънчевата система е хипотезата за газо-праховата мъглявина. Според нея, преди около 4.6 милиарда години тук е имало тъмна мъглявина с размери няколко светлинни години, съставена от студени молекули водород. По едно време експлозии на много големи близки звезди (свръхнови) причинили ударни вълни, които, минавайки през първичния облак, създали области с повишена плътност. Водородът започнал да се концентрира, което увеличило силата на гравитацията на тези области. С времето те ставали все по-плътни и по-горещи, докато накрая не се обособили като самостоятелни ядра, дистанцирани от останалия водород. Смята се, че от първичната мъглявина са се образували няколко звезди.

Една от тези области дала началото на Слънчевата система. Предполага се, че диаметърът й бил около 10-20 хиляди астрономически единици (astronomical unit, AU¹), масата й — много малко по-голяма от тази на Слънцето, а съставът — 98% водород от времето на Големия взрив и 2% по-тежки елементи от експлодирали големи стари звезди.

Със свиването си облакът започнал да се върти все по-бързо, молекулите се блъскали все по-често и все по-силно, започнала да се отделя топлина и центърът станал многократно по-горещ от останалата част. Родила се протозвезвда, която не можела да се види заради гъстия облак от газ и прах. Само инфрачервената светлина минавала безпрепятствено през облака. Около горещото протослънце се обособил тънък въртящ се протопланетарен диск с диаметър 200 а.е., от който в последствие се образували планетите.

________
¹ - 1 AU = 150 млн. км — разстоянието от Земята до Слънцето в момента.
Изображения:
1. Стълбовете на сътворението, област на активно звездообразуване. Снимка: Hubble
2. Протопланетарен диск в газо-прахова мъглявина. Изображение: NASA

Глобалното затопляне

Може би най-дискутираната тема тази година е за глобалното затопляне. Това от една страна е добре, защото вниманието на обществото се насочва към редица трудно обратими негативни процеси, но от друга страна е лошо, защото други важни проблеми биват пренебрегвани. Все още не знаем със сигурност какво и как причинява регистрираното повишаване на средната температура, поради което има доста хипотези, които и в момента се тестват и анализират.

Тук ще се спра на една от тези хипотези: Слънцето. Енергията от термоядрения синтез на водород в недрата му поддържа почти всяка форма на живот на Земята — ето колко важно е то.

Снимка на Слънцето от космическата обсерватория SOHO

От векове хората знаят, че по повърхността на Слънцето има петна. И докато все още механизмите на образуването им не са изцяло ясни, то едно нещо е сигурно: съществува явление, наречено слънчев цикъл — редуване на периоди с малко и с много петна.

При слънчев максимум се наблюдават много и големи петна по цялата повърхност на нашата звезда. Те се проявяват като източници на слънчеви избухвания, при които се отделят големи количества енергия. При слънчев минимум петната са малко и предимно в полярните зони. Максимумите и минимумите се редуват през приблизително 11 години.

Този цикъл оказва силно влияние върху климата на Земята. Тя е сравнително близо до Слънцето и при избухвания потоци от частици (слънчев вятър) се изстрелват към нея. Счита се, че при минимум температурата по-скоро се понижава, а при максимум има тенденция да се увеличава.

През 17 век слънчев минимум се установил за няколко десетилетия и, случайно или не, тогава се случва и т.нар. Малка ледена епоха, когато в Европа температурите спаднали значително. Тук също има разногласия, но остава фактът, че Слънцето може да влияе на климата ни.

Съвременна теория твърди, че има и друг цикъл, който е с много по-голям период — десетки хиляди години — и евентуално може да обясни древните ледени епохи, когато ледовете са покривали многократно по-големи територии. Но и за тази теория липсват преки доказателства.

Земният климат несъмнено се влияе от Слънцето. Докато не бъде научно доказано обаче, че то е причината за глобалното затопляне, е вредно да се правят каквито и да е уж сигурни изказвания. Истината просто е не знаем. Но междувременно нищо не пречи хората да се възпитават да живеят по-природосъобразно, защото всички ние сме част от биосферата, която се крепи на деликатен баланс. Колкото и малко да е влиянието ни, нека поне е положително. Това е личното ми мнение :)

Залез над Арктика. Image credit: Jeremy Harbeck

Млечният път — анкета 1

От около десетина дни тук тече анкета за броя на звездите в Млечния път. Общо гласуваха 50 човека, като резултатите ще обявя по-долу. Нека първо да се запознаем с нашата собствена галактика.

Панорамно изображение на Млечния път

Млечният път е спираловидна галактика с диаметър 100 000 светлинни години и дебелина при ядрото 2500 св.г. Той е част от Локалната група от галактики и си има два спътника: Големият и Малкият Магеланови облаци. С приблизителна възраст от около 13 милиарда години, най-старите звезди от Млечния път са стари почти колкото Вселената.

Тъй като нашата Слънчева система се намира в Млечния път, то ние не можем да го погледнем отстрани. Астрономите смятат, че той е галактика със спираловидни ръкави, която много прилича на тази на снимката:

Галактика NGC 7331

Млечният път съдържа 200 милиарда звезди, въпреки че според по-нови данни те може да са два пъти повече. Масата на галактиката ни е приблизително 5.8×10¹¹ слънчеви маси. Смята се, че по-голямата част от тази маса представлява тъмна материя, която е сравнително равномерно разпределена.

Една от най-интересните части от галактиката ни е централното й ядро. Както повечето галактики във Вселената, така и при нас астрономите предполагат, че в центъра живее огромна свръхмасивна черна дупка.

Изображение на центъра на Млечния път от обсерваторията Кек на Хавайските острови. За получаването му е използвана новата система за лазерно насочване за постигане на още по-детайлен образ. Със стрелка е обозначена предполагаемата черна дупка в сърцето на галактиката ни. Още изображения и анимации: тук.

Млечният път има четири главни спирални ръкави и още два по-малки, или поне така смятат астрономите. Част от тези ръкави не могат да се видят от Земята, защото се намират зад галактическия център. Подобно на галактиката Андромеда, има доказателства за съществуването на сферично хало около Млечния път с диаметър 200 000 св.г., но има вероятност то да е по-голямо. Според най-новите наблюдения във връзка с проекта за 3D-картографиране на 25% от небето Sloan Digital Sky Survey, в Млечния път може би има остатъци от галактики-джуджета, които са били погълнати от него.

Какво е мястото ни в нашата галактика? Слънцето се намира на около 25 000 св.г. от галактическия център в ръкав Орион и в т.нар. галактическа обитаема зона. За да направи една пълна обиколка около центъра, на Слънцето са му необходими 230 милиона години. Скоростта, с която се движи то (и ние, заедно с него), е изчислена на 217 km/s, което значи, че от раждането си до сега то е направило не повече от 25 обиколки.

Самият Млечен път също се движи из пространството, но определянето на скоростта му на движение не е еднозначно. За да знаем скоростта на дадено тяло, то трябва да имаме отправна точка, спрямо която да я измерим. Учените предполагат, че галактиката ни се движи с около 600 km/s спрямо близки други галактики, и с 552 km/s спрямо фотоните от микровълновото фоново лъчение.

А ето и резултатите от анкетата:


Както се вижда, почти половината гласували са познали верния отговор. Млечният път и Андромеда са двойка гигантски галактики, които заедно с по-малките галактики-джуджета образуват т.нар. Локална група. Във Вселената са известни наистина огромни елиптични галактики, които в диаметър достигат милиони светлинни години и тежат стотици пъти повече от Млечния път, но като цяло преобладават по-малките.

Интересни връзки:
Млечният път в Атласа на Вселената
Изображение на ръкавите на Млечния път
Изгледи в план

От газ до слънчева система

Образуването на звездите и планетите все още не е известно до най-малките детайли, но учените имат някаква представа как би трябвало да става това. Според тях всичко започва с облаци от газ, които съществуват в галактиките. С течение на времето в облака се очертава някаква структура, породена от "турбуленция" и влиянието на съседни млади звезди.

Всичко това води до струпване на газ в определени области от пространството, който газ под действие на гравитацията се срутва върху себе си и от въртеливото движение на газовия облак се наблюдава образуване на диск с "протозвезда" в средата. Постепенно върху протозвездата се натрупва още и още материал и когато той стане достатъчно, започва термоядрен синтез и тя става истинска млада звезда.

Това, което остава около звездата е остатъчен материал, наречен "протопланетарен диск". От него с течение на времето започват да се очертават зони, в които има натрупване на материя — протопланети. Дискът изтънява и скоро бива изцяло погълнат от звездата и новите планети и изчезва.

В краищата на младата слънчева система все още има остатъчен диск от материал, където процесите на планетообразуване продължават. В нашата Слънчева система този диск е известен като зодиакален прахов диск.

________
Източник: текст, видео

Астрономи експлоадират виртуална звезда!

С години астрономите се опитват напразно да взривят звезда с размера на Земята, използвайки компютърни кодове. Най-накрая успяха. Получената 3D-симулация разкрива стъпка по стъпка как протича това явление. Т. нар. бели джуджета — звезди с размера на Земята и масата на Слънцето — свършват дните си забележително. Когато енергията им започне да свършва, те експлоадират в така наречените свръхнови тип-1а, от които учените смятат, че произлиза повечето желязо във Вселената.

При предишни опити да се симулира такава експлозия учените трябваше да казват на компютърния модел кога да детонира звездата, което значи, че моделът не е добър. С нагаждане и промени на кодовете учени от Чикагския университет създали естествени детонации в опростени двуизмерни симулации. Използвайки екстремни компютърни ресурси, екипът направил и 3D-симулация.

Виртуалният експеримент потвърдил това, което учените очаквали от предишни тестове: Звездите се детонират и превръщат в свръхнови чрез свръхзвуков процес, напомнящ възпламеняването в дизелов двигател. При този тип двигатели не искра, а налягането на газа причинява запалването му. Въпреки че компютърната симулация отнела 58 000 часа и 700 компютърни процесора, целият катаклизъм — от начало до край — е 3 секунди (линк).

Резултатите разкриват сложна, но изчистена поредица от събития, завършваща с взрив. Част от секундата преди смъртта на звездата в центъра й се образува огнено балонче с размер 15 km. Веднага след това то се изстрелва с близо 2000 km/h към повърхността. Една секунда по-късно, на другия край на бялото джудже, огнената вълна се сблъсква със себе си и задейства експлозията.

Възможността тук, на Земята, да се направи експеримент със свръхнови тип-1а може да хвърли светлина върху загадъчната сила — тъмната енергия — която се противопоставя на гравитацията и кара Вселената да се разширява.

(от SPACE.com)

Звезди и планети

След Големия взрив на Вселената й трябвали милиард години да еволюира в сложна система от галактики и звезди. През следващите 12 милиарда години още звезди и галактики постепенно се раждали от останките на отдавна умряли тяхни предци.

Нашата Слънчева система е сравнително нов герой в тази дълга приказка за космическо сътворение. Облак от газ се носил на края на Млечния път и бавно започнал да се смалява и върти. Този облак (или мъглявина) постепенно се свил до диск с размера на орбитата на Нептун, с което се загрял. Щом температурата стигнала няколко хиляди градуса, мъглявината започнала да се разделя на два облака. Нажеженият център продължил да се загрява докато накрая, след експлозия, Слънцето се появило във Вселената преди около 5 милиарда години. Останалото се подравнило и оформило в огромен диск, който постепенно изстинал.

Със спадането на температурата газът бързо кондензирал в малки частици скали, метали и лед. Те се сблъсквали в диска и се слепвали в камъчета. Тези камъчета се сливали и ставали по-големи скали, грамади, докато в крайна сметка, след около 100 милиона години, станали комплект от девет завършени планети със своите стабилни орбити.

Характеристиките на всяка планета отразяват и мястото й в този космически тиган. Най-близо до жаркото Слънце планетите са от втвърдени скали и метал, защото всичкия лед се изпарил и парите били издухани надалеч. По-късно Слънчевата система се охладила и тези газове кондензирали обратно върху повърхността на някои от по-далечните планети като Земята. По-студените външни планети успяли да задържат по-голямата част от изпаренията, които се струпали върху скалните им ядра и оформили газовите гиганти Юпитер и Сатурн, познати ни днес. На ръба на Слънчевата система, където тя неусетно се слива със студената празнина на космоса, там се натрупали ледените останки. Там са и кометите — замразените скални кълба, които светят при завъртането си около Слънцето по тяхните гигантски орбити.

(превод от ВВС)