Солнце

Свет, который очерчивал горы Луны, нагревал Меркурий и строил хвосты комет, возник не на гладкой жёлтой поверхности. Солнце вообще не имеет твёрдой поверхности. Это ближайшая звезда — шар плазмы, удерживаемый собственной тяжестью.

После внешней Солнечной системы приходится резко менять масштаб. Поперёк Солнца можно уложить около 109 Земель; его диаметр близок к 1,4 миллиона километров. В нём сосредоточено примерно 99,8 процента массы всей системы. Планеты велики рядом с человеком, но в общей механике они почти лёгкая россыпь вокруг звезды.

От Солнца до Земли около 150 миллионов километров. Свет проходит это расстояние примерно за 8 минут 20 секунд. Поэтому мы всегда видим Солнце немного в прошлом, но настоящая задержка солнечного света началась гораздо раньше — внутри звезды, где энергия долго пробиралась наружу через непрозрачное вещество.

На земном небе Солнце часто выглядит жёлтым, оранжевым или красным. Это работа атмосферы: она сильнее рассеивает короткие синие волны, особенно когда луч идёт по длинному пути у горизонта. Если собрать весь видимый солнечный свет вместе, он близок к белому. Привычный цвет звезды уже оказывается результатом измерения и условий наблюдения.

Поверхность, которой нет

Фотосферой называют слой, из которого наружу уходит большая часть видимого света. Ниже плазма непрозрачна: фотоны постоянно поглощаются и испускаются заново. Выше плотность падает, и вероятность свободного выхода быстро растёт. Поэтому глаз видит сравнительно резкую границу, хотя никакой корки там нет. Толщина фотосферы — лишь несколько сотен километров, ничтожная доля солнечного радиуса.

Вместо спокойного диска большое увеличение показывает кипящую мозаику грануляции. Каждая гранула имеет размер порядка тысячи километров. В светлом центре вещество поднимается, у тёмного края остывает и опускается. Так на фотосфере проступает конвекция, переносящая энергию через внешнюю часть солнечных недр.

Солнечные пятна темнее окружения не потому, что холодны в обычном смысле: их температура всё ещё составляет тысячи градусов. Сильное магнитное поле мешает конвективному переносу тепла, поэтому участок излучает слабее фотосферы. В крупном пятне различимы тёмная тень и волокнистая полутень — плазма выстраивается вдоль сложного магнитного поля.

Пятна одновременно показали, что Солнце вращается. Но плазма не обязана поворачиваться как твёрдый шар: у экватора оборот занимает примерно 25 земных суток, ближе к полюсам — больше 30. Это дифференциальное вращение растягивает и перестраивает магнитное поле звезды.

Луч света превращается в химический анализ

Призма или дифракционная решётка раскладывает белый свет по длинам волн. В начале XIX века Йозеф Фраунгофер подробно нанёс на карту множество тёмных линий солнечного спектра, но ещё не знал их причины. В 1859 году Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен связали спектральные линии с конкретными химическими элементами: те же атомы, которые испускают свет на определённых длинах волн в лаборатории, способны поглощать его в более холодном газе.

Так химический анализ Солнца стал возможен без образца вещества. По расположению линий определяют элементы, по их форме — температуру, давление и движение вещества. Сдвиг линии к красному или синему показывает скорость вдоль луча зрения. Расщепление некоторых линий в магнитном поле позволяет строить магнитограммы. Из спектра узнают, что Солнце состоит главным образом из водорода и гелия, а спектр каждого пикселя превращает изображение в карту физических величин.

Цвета на многих солнечных картах условны. Телескоп может пропустить узкую линию водорода Hα или экстремальное ультрафиолетовое излучение, невидимое глазом, а затем окрасить измеренную яркость выбранным цветом. Отдельные изображения при этом показывают плазму разных температур и высот; общего «настоящего цвета» для таких данных нет.

Тяжесть зажигает звезду и не даёт ей упасть

В центре Солнца давление и температура настолько велики, что вещество полностью ионизовано: электроны отделены от ядер. Положительно заряженные протоны отталкиваются, но квантовое туннелирование иногда позволяет им сблизиться достаточно для ядерной реакции. Через несколько ступеней протон-протонной цепочки четыре ядра водорода превращаются в ядро гелия; рождаются также позитроны, нейтрино и энергия.

Итоговое ядро и продукты реакции имеют чуть меньшую массу, чем исходные частицы. Разность составляет меньше одного процента, но по формуле E = mc² даже малая потеря массы даёт огромную энергию. Каждую секунду Солнце превращает в излучение около четырёх миллиардов килограммов массы. На фоне его полной массы это медленный расход: звезда светит миллиарды лет, а не сгорает как костёр.

Горение здесь вообще не химическое и не требует кислорода. Солнце удерживает само себя в гидростатическом равновесии. Тяжесть тянет вещество к центру; давление горячей плазмы и излучения сопротивляется сжатию. Если ядро немного сожмётся, оно нагреется и реакции ускорятся; если расширится, остынет и мощность упадёт. Такая обратная связь делает звезду устойчивой на очень долгом отрезке её жизни.

Два посланника выходят из ядра с разной скоростью

Нейтрино почти не взаимодействуют с веществом. Через несколько секунд после рождения они покидают Солнце, а ещё через восемь с небольшим минут достигают Земли. Обычный фотон ведёт себя иначе. В лучистой зоне он поглощается и переизлучается бесчисленное множество раз, каждый раз меняя направление и энергию. Такой путь наружу занимает десятки или сотни тысяч лет; точное среднее зависит от того, как определить этапы переноса в модели.

Во внешней конвективной зоне излучение уже хуже переносит поток энергии. Горячая плазма поднимается, охлаждённая опускается, и на фотосфере это движение становится грануляцией. Свет, который долетает до глаза за восемь минут, несёт энергию, произведённую задолго до человеческой истории; нейтрино сообщают о нынешнем состоянии ядра.

Первые детекторы регистрировали заметно меньше электронных солнечных нейтрино, чем предсказывала модель. Ошибка могла скрываться либо в расчёте Солнца, либо в понимании частиц. Позднейшие эксперименты показали, что нейтрино по пути меняют тип — осциллируют. «Недостающие» частицы не исчезали. Проверка звезды привела к открытию свойств нейтрино, которых не содержала первоначальная Стандартная модель частиц.

Чем выше над фотосферой, тем снова горячее

Над фотосферой лежат хромосфера, тонкая переходная область и корона. Плотность быстро падает, зато температура после минимума начинает расти и в короне достигает миллионов градусов. Разреженная корона всё же содержит мало вещества и мало тепловой энергии в каждом кубическом метре: высокая температура описывает среднюю энергию отдельных частиц.

Вопрос о том, почему верхняя атмосфера горячее расположенной под ней фотосферы, пока открыт. Энергию могут переносить волны в магнитном поле и многочисленные малые события пересоединения; вклад механизмов зависит от области и масштаба. Фраза «магнитное поле нагревает корону» обозначает направление объяснения, но ещё не заменяет полный расчёт.

Нарисованные магнитные линии представляют расчёт поля, а плазменные петли действительно светятся вдоль магнитных структур. Когда конфигурация поля резко перестраивается, часть накопленной энергии переходит в нагрев, ускорение частиц и излучение вспышки. При корональном выбросе массы огромная структура плазмы и магнитного поля уходит в пространство. Вспышка и выброс часто связаны, хотя описывают разные явления.

Атмосфера звезды заполняет пространство между планетами

Часть корональной плазмы непрерывно расширяется наружу и становится солнечным ветром. Это поток электронов, протонов и других ионов, несущий с собой магнитное поле. Из-за вращения Солнца поле закручивается в спираль Паркера, похожую по геометрии на струи вращающегося разбрызгивателя. Именно этот поток надувает гелиосферу, границу которой мы встретили за Плутоном.

На Земле солнечный ветер уже кажется сравнительно ровным, но рядом со звездой он состоит из струй, перегибов поля и взаимодействующих выбросов. Корональные дыры связаны с быстрым ветром; происхождение разных разновидностей медленного ветра уточняется. Чтобы отличить структуры, возникшие у Солнца, от изменений по дороге, нужно измерять поток на разных расстояниях и с разных направлений.

Солнечная активность меняется примерно в одиннадцатилетнем цикле. Число пятен растёт и падает, а около максимума глобальное магнитное поле меняет полярность. Для возвращения к прежней ориентации нужны два таких цикла — около 22 лет. Выброс, направленный к Земле, может вызвать полярные сияния и возмущения магнитосферы, повлиять на спутники, связь и электросети. «Космическая погода» описывает измеримые условия, а не настроение Солнца.

Близость не отменяет слепых зон

Земля и большинство аппаратов движутся почти в одной плоскости, поэтому десятилетиями Солнце фотографировали в основном сбоку от его экватора. Ulysses пролетал над полюсами и измерял частицы и поля, но не имел камеры. В марте 2025 года Solar Orbiter впервые получил изображения солнечного полюса, поднявшись примерно на 17 градусов ниже экваториальной плоскости. Наклон невелик, однако он уже отделяет полярную область от привычного вида с ребра.

Одновременно разные аппараты решают разные задачи. SDO непрерывно следит за всем диском с окрестностей Земли; SOHO соединяет наблюдения внутренности, короны и солнечного ветра; Parker измеряет плазму почти на месте её рождения; Solar Orbiter связывает снимки поверхности с частицами, прилетевшими к аппарату. Название миссии важно лишь постольку, поскольку её положение и приборы меняют доступный сигнал.

На 5 сентября 2026 года Solar Orbiter продолжает работу на наклонной орбите. Следующий пролёт Венеры 24 декабря 2026 года должен, если манёвр пройдёт по плану, увеличить наклон примерно до 24 градусов. Будущее здесь остаётся будущим: книга фиксирует не обещанный результат, а новую точку наблюдения, которую миссия постепенно строит.