Трехмерная модель Солнца ответит на много вопросов
Для лучшего понимания процессов, происходящих в недрах нашего светила и похожих на него звезд, группа ученых из лаборатории астрофизики, приборостроения и моделирования Парижского университета им. Дидро (Astrophysics, Instrumentation and Modeling Laboratory Universite Paris Diderot) создала невероятно точную и реалистичную трехмерную модель Солнца.
Как и Земля, Солнце вращается вокруг своей оси. Однако, поскольку Солнце – это газовый шар, период вращения будет неодинаковым на разных глубинах, а также варьируется от экватора до полюса от 25 до 34 дней соответственно. Одной из основных задач ученых было создание модели, которая бы учитывала влияние волн на параметры вращения различных слоев Солнца. Учитывалось и влияние химического состава: ведь Солнце состоит не только из водорода и гелия, в его состав входят и более тяжелые химические элементы. А всего в Солнце путем спектрального анализа установлено наличие 72 химических элементов.
Интересно, что образование различных волн происходит в Солнце во время перемешивания веществ различного состава. В модели также учитываются конвекция, турбулентные движения, влияние вязкости, дифференциальная ротация и другие физические параметры. Для построения модели потребовалось 5 млн часов работы GENCI Ada (209-е место среди самых мощных суперкомпьютеров мира) и 15 млн часов работы Curie (20-е место).
Напомним, что источником энергии Солнца является небольшое ядро, радиус которого составляет пятую часть радиуса звезды. Температура ядра порядка 15 млн °C. Плотность газа в центре Солнца достигает 150 г/см3, что приблизительно в семь раз выше плотности самого тяжелого металла – осмия. Давление в центре светила в 200 млрд раз выше атмосферного (около 20 ППа), или 20 квадриллионов паскалей. При таких условиях делается возможным протекание ядерных реакций, которые и поддерживают Солнце и подобные ему звезды в равновесии. Вот почему наше Солнце светит уже порядка 4,5 млрд лет и приблизительно такое же время останется относительно неизменным, пока в его недрах не закончится водородное топливо. После чего ядро начнет сжиматься, а его температура расти вплоть до начала горения гелия. Затем Солнце станет красным гигантом и расширится примерно до современной земной орбиты.
Радиус следующей за ядром зоны лучистого переноса составляет чуть менее половины солнечного. Здесь ядерные реакции уже не протекают, а энергия от ядра к вышележащей конвективной зоне передается с помощью движения фотонов. (Зона лучистого переноса имеется не у всех звезд – у красных карликов и старых красных гигантов она отсутствует.) Перенос энергии от ядра к вышележащей конвективной зоне занимает для одиночного фотона порядка 170 тысяч лет. Таким образом, видимый нами свет Солнца является продуктом его ядерной реакции не в настоящий момент – все это случилось задолго до начала последней ледниковой эпохи.
Конвективная зона, идущая за зоной лучистого переноса, имеет радиус чуть более четверти радиуса Солнца и заканчивается фотосферой – видимой поверхностью звезды. В ней происходит перемешивание более горячих и более холодных слоев газа. Скорость конвекции наиболее интенсивна у границы фотосферы и наименее интенсивна на границе с зоной лучистого переноса.
Несмотря на довольно четкие представления астрономов, все же наши сведения относительно физики всех процессов, происходящих в недрах Солнца, неполны. Новая модель, как ожидается, поможет спланировать будущую экспедицию, в ходе которой в космос отправится солнечный орбитальный аппарат Solar Orbiter, который будет расположен на орбите неподалеку от нашего светила. Запуск аппарата намечен на лето 2017 года.