Ученые дали исчерпывающий ответ на космическую загадку о температуре Вселенной
Евгений Опанасенко
редактор раздела Техно
Как такое может быть?
Фото: Wallpaperstock
Почему в космосе так холодно, в то время как на Солнце невероятно горячо? Казалось бы, это элементарный вопрос из школьной программы, но, если задуматься, оказывается все далеко не так просто. Ученые дали исчерпывающий ответ на космическую загадку.
Смотрите также в сюжете о том, как защитить глаза от Солнца:
Солнце – это ближайшая к нам звезда, которая относится к типу G2V, являющаяся желтым карликом. Несмотря на относительно небольшие размеры по сравнению со многими космическими гигантами, Солнце очень горячо – температура его поверхности составляет 5500 градусов по Цельсию, а ядра – 15,7 миллионов по Кельвину. Между тем, если отдалиться от Солнца достаточно далеко, к примеру до орбиты Нептуна, то температура падает до -270°C. Это буквально на три градуса выше абсолютного нуля. Как такое может быть?
Состояние невесомости
Что такое состояние невесомости? Мы привыкли считать, что космонавты в космосе плавают, действуя вопреки законам гравитации. Потому многие считают, что в космосе нет силы тяжести. На самом деле гравитация существует везде во Вселенной и это самая важная сила, влияющая на все существующее в космосе.
Что же происходит с космонавтом, который находится в невесомости? Более точно это состояние можно было бы назвать свободным падением
.
Почему же космонавты не падают на Землю? Тут действует закон ускорения свободного падения. Если космонавт уронит яблоко на космической станции, то все они будут падать: и яблоко, и космонавт, и станция. Только они падают не на Землю, а вокруг нее
, так как они ускоряются относительно Земли. Объекты на земной орбите кажутся плавающими, хотя на самом деле они движутся с такой же орбитальной скоростью, что и космический корабль, больше 28 000 км в час.
Защита от горячего Солнца и вселенского холода
Инженер-термист Элизабет Абель проекта DART от NASA, разрабатывает системы терморегуляции для космических аппаратов, созданных для длительных путешествий в космосе. Одним из ее проектов был солнечный зонд Parker, собирающий данные через внешний слой атмосферы звезды, называемый короной. В апреле 2020 года зонд прошел максимально близко к поверхности Солнца – на расстоянии в 15 миллионов километров. Теплозащитный экран, размещенный с одной стороне зонда, позволил реализовать рискованный маневр.
Зонд Parker, одна сторона которого нагрета до 250 градусов по Цельсию, а другая – -238 градусов
Фото: NASA
«Тепловой экран был спроектирован так, чтобы никакое солнечное излучение не расплавило космический корабль. В то время, как защита прогревается до 250°C, сам аппарат остается холодным с температурой корпуса -238°C», – объясняет Элизабет Абель.
Огромная разница температур между холодным космосом и кипящим Солнцем создает серьезные проблемы. Отдельным частям космического корабля необходима комфортная температура, чтобы он оставался достаточно холодным для избегания короткого замыкания, в то время как другим нужны нагревательные элементы, чтобы они оставались достаточно теплыми для функционирования.
Если Солнце горячее, то почему в космосе холодно?
Все объекты Солнечной системы получают тепло и свет от единого источника – Солнца. Это гигантская раскаленная сфера, благодаря которой на Земле смогла возникнуть и развиться жизнь. Но если Солнце настолько горячее, то почему в космическом пространстве холодно?
Давайте сравним температурные показатели. Что значит раскаленность Солнца в цифрах? Ну, если вы окажитесь в ядре, то температура поднимется до 14 млн. К! Поверхность кажется более прохладной, но это все равно огромная цифра в 6000 К.
А вот космическое пространство достигает по нагреву 0 К или -273.15°C (без учета реликтового излучения). Почему так происходит? Почему космос не прогревается?
Тепло распространяется через космос в виде излучения. Это инфракрасная волна энергии, перемещающаяся от более раскаленных объектов к холодным. Волны излучения пробуждают молекулы, с которыми контактируют, заставляя их нагреваться.
Космическое пространство достигает по нагреву 0 К или -273.15°C
Именно по такой схеме тепло распространяется от звезды к Земле. Но есть один момент: излучение нагревает лишь молекулы и вещества, расположенные на пути, а все остальное остается холодным.
На Земле воздух остается теплым даже в тени и в ночное время, потому что тепло распространяется тремя способами: проводимость, конвекция и излучение. Когда звездные лучи накаляют молекулы в земной атмосфере, то те передают дополнительную энергию остальным молекулам. Возникает цепная реакция, которая нагревает те области, что остались за пределами солнечного луча.
Но космическое пространство представляет собою вакуум (почти пустое). Молекулы газа слишком маленькие и отдалены на большие дистанции, чтобы постоянно сталкиваться и обмениваться теплом. Так что даже при солнечном нагреве проводимость не срабатывает. То же самое касается и конвекции, которая работает при силе тяжести и неэффективна в невесомости.
Космический зонд Паркер отправился изучать солнечную атмосферу
Об этой особенности приходится задумываться инженерам, проектирующим космические корабли, которые совершают дальние космические путешествия или приближаются к Солнцу. Интересным примером кажется зонд Паркер, который отправили изучать солнечную атмосферу.
То есть, этот космический корабль постепенно приближается к самому аду Солнечной системы, но он все еще цел! Все дело в защитном тепловом экране, который гарантирует, чтобы солнечные лучи не попали на поверхность зонда. И выходит, что ему приходится с одной стороны выдерживать невероятный нагрев и параллельно с этим находиться в холодном космическом пространстве.
Приходится придумывать различные системы, которые позволяют кораблю оставаться достаточно холодным и избегать короткого замыкания, но при этом не перегреваться и не плавиться от солнечного нагрева.
Как происходит термоядерная реакция?
Из-за высокой температуры частицы газов на Солнце – ядра атомов и свободные электроны – движутся с сумасшедшей скоростью. В каждом ядре атома есть частицы, называемые протонами и нейтронами. Протоны имеют положительный электрический заряд, нейтроны же заряда не имеют. Атомы различных элементов отличают друг от друга по количеству протонов и нейтронов, которые служат своеобразными «кирпичиками» для построения. В каждом ядре атома водорода содержится один протон, в атоме гелия – два протона и два нейтрона.
Когда четыре ядра водорода соединяются вместе, они образуют одно ядро гелия, фотоны и прочие мелкие частицы. Именно фотоны и представляют собой свет, разлетающийся во все стороны.
По подсчетам ученых, каждую секунду в солнечном ядре в лучистую энергию превращается около четырех миллионов тонн вещества. Эта энергия рассеивается в космосе и достигает Земли.
Стоит отметить, что вблизи солнечного ядра температура составляет около 14-ти миллионов градусов, а мощность излучения, доходящего до нашей планеты, составляет приблизительно 1000 ватт на квадратный метр поверхности.
Ссылки и примечания:
- Четыре атома водорода (масса = 1.008) превращаются в гелий (масса 4.0039), теряя 0.0281 единиц атомной массы (1 AMU = 1.66 x 10 -27 кг), выделяя 4.2 x 10 -12 джоулей энергии.
- В сделанных человеком водородных бомбах используются изотопы тяжелого водорода дейтерий и тритий, плюс немного лития. Солнце использует в основном обычный водород, который сливается намного тяжелее, что хорошо, так как это означает, что солнце сгорает устойчиво. Дейтерий – это трудно образующийся промежуточный этап, таким образом, он контролирует скорость процесса термоядерной реакции в солнце; в водородных бомбах этот этап пропускается и процесс начинается с дейтерия.
- Полная реакция слияния выглядит следующим образом: 4 1 H –> 4 He + 2e + + 2νe, где e+ — это позитрон или антиэлектрон, а νe — это электронное нейтрино.
- До того как была продемонстрирована эта нейтринная осцилляция, она была огромной проблемой для теории синтеза, а значит и для миллиардов лет. Физики-теоретики учили тому, что нейтрино имели именно нулевую массу покоя, что сделало бы осцилляцию невозможной. Однако в 2001 году, осцилляция была определена, что показало ошибку теоретиков. Смотрите Ньютон, Р., Обнаружены недостающие нейтрино! Больше не измеритель «возраста», журнал TJ16
(3):123–125, 2002. - Эволюционисты считают, что центр солнца содержит гелия, которое указывает на возраст солнца 4.5 млрд. лет, но такое мнение абсолютно не основывается на данных непосредственных наблюдений. В любом случае, даже если бы в солнце было огромное количество гелия, история показывает, что солнце никогда не было тусклее. Скорее, если бы центр солнца содержал много гелия, это было бы особенностью его дизайна, чтобы солнце было достаточно горячим. Большое количество гелия также может отвечать за исключительную стабильность солнца по сравнению со стабильностью других звезд того же самого спектрального класса — смотрите Сарфати, Д., , журнал Creation22
(1):27–30, 1999. Фактически, приверженцы древнего возраста не измеряют непосредственный возраст солнца. Они, скорее, предполагают его на основе радиометрического датирования метеоритов, что имеет свои проблемы, как мы регулярно и показываем — смотрите .
Солнце – «сердце» Солнечной системы, и вокруг него вращаются планеты и спутники. Учёные утверждают, что достаточно хотя бы немного изменить массу солнца или его размеры, и жизни на нашей планете просто бы не существовало. Мы подготовили для наших читателей подборку весьма занимательных фактов о единственной звезде Солнечной системы.
1. Солнце действительно большое
На самом деле, Солнце составляет более 99,8% от общей массы Солнечной системы. Это не ошибка — все планеты, их спутники и все другие мелкие космические объекты составляют менее 0,2% от массы Солнечной системы. Если быть более точным, то масса Солнца составляет около двух нониллионов килограммов (это два и тридцать нулей после). По объему Солнце примерно составляет 1,3 миллиона планет, равных Земле.
На самом деле, масса Солнца довольно часто используется в астрономии в качестве стандартной единицы измерения для больших объектов. Когда речь идет о звездах, туманностях или даже галактиках, то астрономы часто используют сравнение с Солнцем, чтобы описать их массу.
2. По галактическим масштабам Солнце не особенно большое
Хотя только что речь шла о том, что Солнце действительно очень большое, но это только по сравнению с другими объектами в Солнечной системе. Во Вселенной же есть намного более массивные вещи. Солнце классифицируется как звезда G-типа, которую, как правило, называют желтым карликом.
Как следует из названия, есть гораздо более крупные звезды, классифицируемые как гиганты, сверхгиганты и гипергиганты. Красный сверхгигант Uy Щита находится в 9 500 световых годах от Земли. В настоящее время это самая большая известная звезда с диаметром приблизительно в 1700 раз больше, чем у Солнца. Ее окружность составляет 7,5 миллиарда километров. Даже свету нужно почти семь часов, чтобы обогнуть звезду. Если бы Uy Щита находилась в Солнечной системе, то поверхность звезды заходила бы за орбиту Юпитера.
3. Что произойдет, когда Солнце умрет
Звезды могут жить очень долго, целые миллиарды лет, но в конце концов они тоже умирают. Дальнейшая судьба звезд зависит от их размера. Остатки более мелких звезд превращаются в так называемых коричневых карликов. Массивные звезды умирают более бурно — они превращаются в сверхновые или даже гиперновые и коллапсируют в нейтронную звезду или черную дыру. В редких случаях эти гиганты могут даже взорваться, после чего произойдет гамма-всплеск.
Солнце находится где-то посередине — оно не взорвется, но и не «сдуется». После того, как в Солнце закончится водородное топливо, оно начнет рушится само в себя под действием собственного веса, в результате чего ядро станет более плотным и более горячим. Это приведет к расширению Солнца, которое станет красным гигантом. В конце-концов, оно сожмется до белого карлика — крошечного звездного остатка невероятной плотности (размером с Землю, но массой с Солнце).
4. Из чего состоит Солнце
В основном оно состоит из водорода и гелия, как и большинство звезд. Если быть более точным, то это около 71% водорода, 27% гелия, а остальные 2% приходятся на следовые количества десятков химических элементов, в основном, кислорода и углерода.
5. Насколько Солнце горячее
Температура Солнца действительно зависит от того, о какой части Солнца говорить. Ядро Солнца безумно горячее — температура там достигает 15 миллионов градусов по Цельсию. В хромосфере же температура «всего лишь» несколько тысяч градусов. Тем не менее, температура быстро растет до миллионов градусов во внешнем слое Солнца, короне. Почему это так — ученые точно не знают.
6. Сколько лет Солнцу
Теория о перемещении космических обломков Возраст Солнца составляет около 4,6 миллиарда лет. Его возраст был рассчитан, исходя из возраста других вещей в Солнечной системы, которые можно датировать более точно, такие как метеориты или даже горные породы Земли. Естественно, это верно при предположении, что Солнечная система образовалась как единое целое.Срок жизни звезды G-типа составляет от 9 до 10 миллиардов лет.
7. Насколько яркое Солнце
Сириус А гигантский, а яркая звезда Сириус В (справа) гораздо меньше по размеру. Очевидно, что Солнце является самым ярким на дневном небе, поскольку оно гораздо ближе к Земле, чем любая другая звезда. На ночном же небе самой яркой звездой является Сириус. Второй по яркости — Канопус. Видимая звездная величина — термин, используемый для обозначения яркости небесного объекта с Земли. Солнце имеет кажущуюся величину -27. 8. Как быстро вращается Солнце Солнце и красный гигант Вращение Солнца немного сложно просчитать, поскольку оно меняется в зависимости от региона. Если говорить коротко, без объяснения, то Солнце делает полный оборот примерно за 25,4 дней.Солнце на самом деле не вращается как твердое тело, подобное Земле. Оно быстрее всего вращается на экваторе (24,5 дней) и медленнее возле полюсов (38 дней).
Что касается скорости Солнца во Вселенной, то вся Солнечная система вращается по орбите вокруг центра Млечного Пути со скоростью 828 000 км/ч. Один полный оборот, известный как галактический год, занимает примерно 225 — 250 миллионов земных лет.
9. Что такое солнечные пятна?
Иногда на поверхности Солнца можно наблюдать темные пятна, известные как солнечные пятна. Они имеют более низкую температуру (примерно на 1226 градусов Цельсия), чем остальная часть солнечной поверхности и появляются из-за колебаний магнитного поля Солнца. Некоторые из них могут быть достаточно большими, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. Иногда появляются группы из более чем 100 солнечных пятен одновременно. Тем не менее, это случается чрезвычайно редко.
10. Солнце меняет свое магнитное поле
Каждые 11 лет Южный и Северный магнитные полюса меняются местами. На Земле также происходит подобное, но гораздо реже. В последний раз это произошло около 800 000 лет назад.
Почему солнце такое горячее? Солнце – раскаленный газовый шар, температура в центре которого очень высока, настолько, что там могут происходить ядерные реакции. В центре Солнца температура достигает 15 миллионов градусов, а давление в 200 миллиардов раз выше, чем у поверхности Земли. Газ сжат здесь до плотности около 1,5?105 кг/м3 (тяжелее железа). На его поверхности температура 6000°С! При такой жаре плавится любое вещество из известных на Земле. Температура же ядра Солнца в тысячи раз больше – свыше 16 000 000°С! Жители Земли очень благодарны Солнцу за то, что оно постоянно дает тепло нашей планете и на Земле бывает такое замечательное время года, как лето. Однако с солнечными лучами нужно быть осторожным. В жаркий день они могут обжечь кожу.
Слайд 5
из презентации
«Солнце»
. Размер архива с презентацией 11431 КБ.
