[Перевод] Спросите Итана №108: бывает ли мгновенный солнечный свет?

Солнце получает энергию благодаря синтезу в ядре. Но может ли свет появиться на его поверхности?

Птицы поют после шторма; почему бы и людям не радоваться отведённому им солнечному свету?
— Роуз Кеннеди

Но всё же, сам по себе свет Солнца был бы для нас смертелен, если бы мы встретились с ним в момент его появления. Как всегда, вы не разочаровываете меня своими вопросами и предложениями, и их спектр протянулся от инфляции до чёрных дыр и аннигиляции антиматерии, но я выбираю лишь один вопрос в неделю. В этот раз спрашивает kbanks64:

Я много раз слышал, что солнечному свету требуются тысячи лет, чтобы добраться из центра Солнца на поверхность. Я понимаю это, но хочу спросить – не создаётся ли какой свет на поверхности Солнца, чтобы покинуть его немедленно?

Солнце – интересная штука, а свет от Солнца – ещё более интересная штука! Давайте разбираться.

Если бы не было ядерного синтеза, единственным источником энергии Солнца была бы наша родная гравитация. Лорд Кельвин изначально считал, что Солнце со временем будет сжиматься, и что огромное количество потенциальной гравитационной энергии в процессе конвертируется в тепло, излучаемое с его поверхности.

Это была прекрасная идея, но такой процесс подпитывал бы Солнце не более 100 миллионов лет, чего совершенно недостаточно с точки зрения геологии и биологии, наблюдаемой нами на Земле. Некоторые звёзды – такие, как белые карлики, (включая и Сириус В на картинке выше, имеющий массу, сравнимую с солнечной) – подпитываются таким механизмом Кельвина-Гельмгольца, но их свечение в несколько миллионов раз слабее, чем у Солнца.

Свет Солнца питается от ядерного синтеза, в котором из лёгких ядер синтезируются тяжёлые, а в процессе испускается огромное количество энергии (E = mc²) и высокоэнергетических фотонов.

Но, как отмечает наш читатель, эти реакции проходят только в ядре, и огромное количество ионизированных атомов – протонов, ядер и свободных электронов – препятствуют тому, чтобы эти фотоны достигали поверхности Солнца без того, чтобы вначале претерпеть огромное количество столкновений. Из-за них получается большое количество гораздо более холодных фотонов, с длинами волн из ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов, вместо первоначального гамма-излучения.

Ядерный синтез происходит по шагам, когда два протона сливаются в дейтрон, затем из дейтерия синтезируется гелий-3 или тритий, а из гелия-3 или трития с ещё одним дейтроном синтезируется гелий-4, и в процессе получаются побочные продукты реакций в виде протонов и нейтронов, а также нейтрино и высокоэнергетических фотонов.

• Нейтрино беспрепятственно покидают Солнце.
• Высокоэнергетические фотоны претерпевают огромное количество столкновений, и выход наружу занимает от десятков до сотен тысяч лет.
• Продукты реакций остаются стабильными, распадаются, или участвуют в других реакциях, но всё это происходит в глубине светила.

Процесс синтеза требует квантовой физики: энергии даже в ядре Солнца, где температуры могут превышать 15 000 000 K, всё ещё недостаточно для их прохождения. Вместо этого при таких температурах существует небольшая квантовая вероятность, порядка 1 шанса на 10²⁸, что при столкновении частицы туннелируют в более тяжёлое ядро. Но внутри Солнца существуют такие плотности и температуры, что ежесекундно 4 * 10³⁸ протонов сливаются в гелий.

Но эти реакции не происходят близко к поверхности. Даже при помощи квантовой физики для синтеза необходима температура не менее 4 000 000 K, а такие температуры кончаются примерно в середине зоны излучения (более 99% всего синтеза происходит в ядре). Так что, нет, никакие реакции синтеза, питающие Солнце, не происходят так близко к поверхности, чтобы их результаты достигли наших глаз.

Но на Солнце происходит кое-что ещё: её фотосферу окружает высокотемпературная плазма, солнечная корона. Эта горячая ионизированная плазма может достигать температур в миллионы градусов, в отличие от всего 6000 К у фотосферы. Кроме того, существуют солнечные вспышки, исходящие изнутри Солнца, массовые выбросы и прочие эффекты, увеличивающие температуру Солнца в определённых местах.

И хотя эти эффекты не приводят к запуску дополнительных реакций ядерного синтеза, они меняют профиль испускания энергии. Спектр, показанный мною ранее, это всего лишь идеализированная ложь.

Вот, как на самом деле выглядит Солнце.

Заметьте, насколько он отличается. Он более энергетический в дальнем ультрафиолете и околорентгеновском диапазоне (но гамма-лучей всё же нет, извините; только во время вспышек – и то, из-за шокового нагрева, а не из-за ядерного синтеза). Разницу можно понять, рассмотрев отдельные, конкретные длины волн света.

Мы наблюдаем, что видимый свет на поверхности Солнца довольно однородный (за исключением более холодных пятен), и близкий к ультрафиолету свет следует примерно той же схеме. Но у более коротких волн и высоких энергий эти энергии достигаются только в районах вспышек и солнечной короны.

Свет, исходящий от внешних слоёв Солнца – из фотосферы и короны – совпадает с излучением любого тела во Вселенной, нагретого до определённой температуры. Просто излучает его не единая поверхность Солнца, а набор абсолютно чёрных тел, некоторые из которых находятся в глубине верхних слоёв, где температура повыше, а другие – снаружи, в фотосфере, где температура пониже.

Поэтому, рассматривая детализацию спектра излучения Солнца, мы видим отклонения от абсолютно чёрного тела не только на высоких энергиях, но и на всех энергиях.

Поэтому, в итоге:
• Реакции ядерного синтеза, происходящие внутри Солнца, идут очень глубоко, и никакие созданные в них фотоны не попадают на поверхность, не испытав множество столкновений.
• Свет излучается с внешних слоёв Солнца, из фотосферы и короны.
• Корона – самая горячая часть (почему – это отдельная тема), и она отвечает за большую часть излучения в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне, но её вклад в видимый свет невелик, и заметен только при полных затмениях.
• В излучающих свет регионах не происходят ядерные реакции, но иногда из-за вспышек происходит шоковый нагрев, приводящий к излучению высокоэнергетических гамма-лучей.

Всё это, строго говоря, солнечный свет, и это наиболее близкий к ответу «да» вариант. Энергия внутренностей Солнца разогревает все его различные слои, включая и внешние, до указанных температур. Атомы, разогретые до этих температур, испускают фотоны, соответствующие этим температурам, и так получается солнечный свет на всех этих различных частотах.

Но если суть вопроса была в том, происходят ли ядерные реакции достаточно близко к поверхности, для того, чтобы мы видели их непосредственный результат, тогда ответ будет отрицательный – если только вы не будете смотреть на Солнце в нейтринный телескоп.

А в этом случае, да, мы увидим их все!