Вселенная

Если принять планетезимальную теорию, то уже нельзя считать, что возраст Солнца примерно равен возрасту Земли, т.е. составляет 4,7 миллиарда лет. Кто знает, как долго пребывало Солнце в своем гордом одиночестве, прежде чем неведомая странница облагодетельствовала его семьей? Ведь возможно, что планетная система появилась у Солнца сравнительно недавно, а его собственное существование исчисляется десятками или даже сотнями миллиардов лет.
Подобный чудовищный срок жизни Солнца стал казаться реальным с тех пор, как был понят взаимный переход массы в энергию и обратно. Излучение Солнца поддерживалось за счет его массы, но кто мог сказать, какова была его первоначальная масса? Если она была вдвое больше современной и убывала постоянно с теперешней скоростью, то для того, чтобы обладать своей теперешней массой, Солнце должно было бы просуществовать 1500 миллиардов лет. И следовательно, при нынешней мощности излучения ему предстоит просуществовать еще 1500 миллиардов лет, прежде чем оно исчезнет совсем.
Однако представляется чрезвычайно маловероятным, чтобы масса терялась с одинаковой скоростью до полного исчезновения. Физики, работавшие с атомными ядрами, убедились, что энергия производится за счет массы обычно в тех случаях, когда ядра одного вида превращаются в ядра другого вида. При этом лишь очень незначительная часть общей массы преобразуется в энергию. Таким образом, если Солнце получает свою энергию от происходящих внутри него ядерных реакций, оно может потерять лишь незначительную долю своей массы. Затем, когда все ядра его вещества будут преобразованы в ядра нового вещества, ядерные реакции прекратятся. И хотя Солнце сохранит еще огромную массу, оно не будет производить никакой или почти никакой энергии.
Итак, количество содержащейся в Солнце энергии, а следовательно, и срок его существования в прошлом и в будущем зависят от характера происходящих в нем ядерных реакций. Но как могли ученые определить этот характер? На первый взгляд такая задача представляется неразрешимой: ведь сначала нужно определить, из каких веществ состоит Солнце и в каких условиях эти вещества находятся, а уж потом пытаться установить, какого типа ядерные реакции будут происходить в таких веществах при подобных условиях.
Да, конечно, это очень сложная задача. Во-первых, как определить химический состав Солнца с расстояния в 150 000 000 км? В начале XIX в. казалось нелепым даже мечтать о подобной возможности. Французский философ Огюст Конт (1798—1857), рассматривая вопрос об абсолютных пределах человеческого знания, в качестве примера непознанных и навеки не познаваемых фактов привел и химический состав небесных тел.
Однако не все, что связано с Солнцем, находится от нас на расстоянии в 150 000 000 км. Его излучение преодолевает космическое пространство и достигает нас. По мере того как XIX в. близился к концу, ученые находили все новые способы извлекать все больше сведений из этого излучения. (С его помощью, например, были измерены лучевые скорости звезд.) Вернемся же к спектру и к его линиям.
В 1859 г. немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф (1824—1887) и его сотрудник немецкий химик Роберт Вильгельм Бунзен (1811 —1899) начали внимательно изучать спектры различных паров, нагреваемых в практически бесцветом пламени бунзеновской горелки (нагревательного прибора, вошедшего в широкое употребление благодаря Бунзену; в нем для получения более эффективного горения и более горячего пламени газ смешивается с воздухом). Нагретые пары давали эмиссионный спектр — яркие линии на темном фоне. Характер этих линий зависел от того, какие элементы присутствовали в парах. Каждый элемент имел свою собственную, только ему одному свойственную систему ярких линий, и два разных элемента никогда не показывали одинаковых линий в одинаковых местах спектра. Эмиссионный спектр служил «отпечатком пальцев» для элементов, присутствовавших в раскаленных парах. Так, Кирхгоф и Бунзен заложили основы спектроскопии.
На следующий год, изучая спектры различных минералов, Кирхгоф и Бунзен обнаружили линии, не свойственные ни одному из известных им элементов. Они заподозрили присутствие каких-то еще не открытых элементов, что и было подтверждено химическим анализом. Новые элементы получили названия «цезий» и «рубидий» от латинских слов «небесно-голубой» и «красный»— в честь линий, которые привели к их открытию. Цезий и рубидий были первыми элементами, открытыми благодаря спектроскопии, но отнюдь не последними.
Кирхгоф и Бунзен сделали еще больше. Они исследовали спектр раскаленного твердого тела (испускавшего белый свет, который давал непрерывный спектр) и пропускали его свет через более холодный пар. Они обнаружили, что пар поглощает световые волны определенной длины и что поэтому после того, как свет был пропущен через пар, его спектр уже не был непрерывным — он пересекался темными линиями, отмечавшими место поглощенных световых волн. Это был спектр поглощения, и сразу стало ясно, что примером такого спектра может служить спектр Солнца. Горячая поверхность собственно Солнца испускает белый свет, образующий непрерывный спектр, а когда этот свет проходит через солнечную атмосферу (которая тоже достаточно горяча, но все же холоднее самого Солнца), некоторые световые волны поглощаются. Вот чем объяснялись темные линии в солнечном спектре.

Кирхгоф заметил, что холодный пар поглощает как раз те волны, которые он испускает в раскаленном состоянии. Предположим, например, что пары элемента натрия раскалятся до такой степени, что начнут светиться. Полученный свет будет ярко-желтым. Если пропустить его через узкую щель, а потом через призму, появятся две близко расположенные друг к другу желтые линии, которые и составят весь эмиссионный спектр натрия.
Если же пропустить через относительно холодные пары натрия белый свет угольной дуги, то ее обычно непрерывный спектр будет нарушен двумя близко расположенными друг к другу темными линиями в его желтой части. Темные линии, возникающие благодаря поглощению световых волн холодными парами натрия, окажутся точно в тех же местах, которые занимают яркие линии, излучаемые раскаленными парами натрия. Темные линии спектра поглощения могут служить для опознания элемента так же, как и яркие линии эмиссионного спектра.
Что же можно было сказать о солнечном спектре и о линиях поглощения в нем? Одна из наиболее заметных линий этого спектра (та, которую Фраунгофер обозначил буквой D) действительно находится на месте линии натрия. Чтобы проверить это, Кирхгоф пропустил солнечный свет через пары натрия и обнаружил, что линия D стала более четкой и заметной. Более того, пропуская солнечный свет через раскаленные, светящиеся пары натрия, он восполнял в солнечном спектре недостающую линию натрия, и темная линия D исчезала.
А раз линии, получаемые в лаборатории, совпадали с линиями солнечного спектра, логично было предположить, что эти последние тоже принадлежали натрию и что, следовательно, в атмосфере Солнца имеется натрий. Точно так же было установлено, что темные линии Н и К — это линии кальция и, следовательно, в солнечной атмосфере должен присутствовать кальций. В 1862 г. шведский астроном Андерс Йонас Ангстрем (1814—1874) установил, что на Солнце имеется водород. Утверждение Конта оказалось совершенно ошибочным, человек нашел способ определить химический состав Солнца, да и любого другого небесного чела, которое испускает свет, достаточно яркий для того, чтобы дать различимый спектр.
Вначале солнечный спектр изучали только для того, чтобы установить, какие элементы имеются на Солнце, а каких там нет. Но скоро возник вопрос: а в каких количествах они там имеются? С увеличением концентрации каждого данного элемента в светящихся или поглощающих парах его спектральные линии становятся более четкими и широкими. И можно было не только обнаружить наличие тех или иных элементов на Солнце, но и определить их возможное количество
В 1929 г. американский астроном Генри Норрис Рессел (1877—1957) тщательно изучил солнечные спектры, и ему удалось установить, что Солнце поразительно богато водородом. Он решил, что на водород приходится три пятых всего объема Солнца. Это было абсолютной неожиданностью, так как водород, хотя и не является редким элементом в точном смысле этого слова, составляет всего лишь 0,14% земной коры.
Однако последующие исследования показали, что Рессел был слишком осторожен в своей оценке. Недавние подсчеты американского астронома Дональда Говарда Мензела (род. в 1901 г.) показывают, что водород составляет 81,76% объема Солнца, а гелий 18,17%, так что на долю всех остальных элементов остается только 0,07%.
По-видимому, можно с уверенностью сказать, что Солнце практически представляет собой светящуюся смесь водорода и гелия в пропорции (по объему) 4:1. (Элемент гелий тоже был открыт с помощью спектрального анализа, причем сначала не на Земле, а на Солнце Английский астроном Джозеф Норман Локьер (1836 — 1920) предположил, что некоторые неопознанные линии солнечного спектра принадлежат еще не открытому элементу, который он в честь греческого бога Солнца Гелиоса назвал гелием. На Земле же гелий был обнаружен шотландским химиком Уильямом Рамзеем (1852—1916) только в 1895 г.).