Cesta do vnútra Slnka

12. sep. 2019 • Fyzikálne vedy

Cesta do vnútra Slnka

Je to len bežná hviezda, pre nás je však výnimočná, pretože je životne dôležitým zdrojom energie. Je jediná vo vesmíre, ktorej sa vedci vedia pozrieť aj pod povrch. Aký je súčasný pohľad na slnečné vnútro?

Slnko priťahuje pozornosť ľudstva oddávna. Ľudia podvedome cítili jeho dôležitosť pre život a často bolo v mnohých starých civilizáciách povýšené na božstvo. V súčasnosti vieme, že Slnko je úplne obyčajnou hviezdou, akých sú vo vesmíre miliardy.

Nepretržitý tok energie

Ak chceme postupne odhaľovať, čo sa odohráva v slnečnom vnútri, musíme najprv správne odpovedať na základnú otázku: Odkiaľ berie Slnko energiu, ktorú neustále vyžaruje do okolia? Alebo naopak: Ako dlho Slnko existuje pri jeho žiarivom výkone, ktorý v súčasnosti pozorujeme?

Zmerať energiu vyžarovanú Slnkom nie je problém. Hodnota slnečnej konštanty, t. j. energie prechádzajúcej jedným štvorcovým metrom za sekundu vo vzdialenosti Zeme od Slnka je 1,366 kW/m2. Takáto energia by bola schopná rozpustiť ľadový pancier okolo celého Slnka hrubý pol kilometra za necelých 40 minút.

Zdrojom energie vo hviezdach, a teda aj v našom Slnku, sú termonukleárne reakcie, v ktorých je základným procesom premena vodíka na hélium. V minulosti bola otázka zdroja slnečnej energie predmetom veľkých diskusií a hádok medzi vedcami.

V 19. storočí významní fyzici tvrdili, že Slnko nemôže žiariť dlhšie ako 60 miliónov rokov.

Pri určení tohto čísla vychádzali z predpokladu, že Slnko môže vyžarovať iba svoju pôvodnú, nahromadenú tepelnú energiu alebo aj energiu získanú zmršťovaním sa. Naproti tomu biológovia a geológovia (na čele s Ch. Darwinom) argumentovali, že Zem, a teda aj Slnko musia existovať minimálne niekoľko 100 miliónov rokov, čo im vychádzalo z geologických výskumov aj z Darwinovej evolučnej teórie.

Premena vodíka na hélium

Objav rádioaktivity na konci 19. storočia naznačil nové možnosti zdroja hviezdnej energie, hoci to ešte nebola tá správna odpoveď. Astrofyzici totiž už vedeli, že energia vyžarovaná z hviezd závisí od ich vnútornej teploty, zatiaľ čo rádioaktívne vyžarovanie od teploty nezávisí. Okrem toho, vnútri Slnka je veľmi málo rádioaktívnych prvkov, pretože Slnko sa skladá prevažne z vodíka a hélia.

Fundamentálne objavy, ktoré viedli k súčasným poznatkom o tom, z čoho Slnko čerpá energiu, nastali v rokoch 1905, 1920 a 1928. Albert Einstein v roku 1905 odvodil svoju slávnu rovnicu E=mc2, ktorá hovorí, že množstvo energie E sa rovná súčinu hmoty m a druhej mocniny rýchlosti svetla c. Zjednodušene povedané, hmota v sebe skrýva obrovské množstvo energie, na ktorú sa pri určitých podmienkach môže premieňať.

A tak sa zdalo, že stačí vnútri Slnka nájsť hmotu, ktorá sa pri termonukleárnych reakciách premieňa na energiu. Tú v roku 1920 pomohol nájsť Francis William Aston, ktorý pri vážení jednotlivých prvkov zistil, že atóm hélia, ktoré vznikne zo štyroch atómov vodíka, je ľahšie o 0,7 % oproti súčtu hmotnosti štyroch atómov vodíka.

Hélium má o 0,7 % menšiu hmotnosť ako súčet hmotností štyroch vodíkov. Rozdiel v hmotnosti sa premení na energiu, ktorá sa vyžiari zo Slnka predovšetkým vo viditeľnej časti elektromagnetického spektra – vo svetle, kredit John N. Bahcall, The Direction Established. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2019 (upravené)
Hélium má o 0,7 % menšiu hmotnosť ako súčet hmotností štyroch vodíkov. Rozdiel v hmotnosti sa premení na energiu, ktorá sa vyžiari zo Slnka predovšetkým vo viditeľnej časti elektromagnetického spektra – vo svetle, kredit John N. Bahcall, The Direction Established. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2019 (upravené)

Hélium má o 0,7 % menšiu hmotnosť ako súčet hmotností štyroch vodíkov. Rozdiel v hmotnosti sa premení na energiu, ktorá sa vyžiari zo Slnka predovšetkým vo viditeľnej časti elektromagnetického spektra – vo svetle, kredit John N. Bahcall, The Direction Established. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2019 (upravené)

Termonukleárne reakcie

V Slnku sa každú sekundu premení približne 700 miliónov ton vodíka na 696 miliónov ton hélia. Ušetrené 4 milióny ton hmoty sa bez zvyšku premenia na čistú energiu. Keby sa takto premenila celá (vodíková) hmota Slnka na hélium, Slnko by žiarilo a hrialo tak, ako to pozorujeme v súčasnosti, minimálne 100 miliárd rokov. Termonukleárne reakcie však prebiehajú iba v centrálnej časti Slnka, kde je dostatočná teplota 15 miliónov K. Znamená to, že za celý život Slnka zhorí iba jedna desatina vodíka, takže Slnko žije 10 miliárd rokov.

Na ceste za rozlúštením záhady zdroja energie v Slnku sa vyskytla ďalšia prekážka. Až rozvoj kvantovej mechaniky a objasnenie tzv. tunelového javu Georgeom Gamowom v roku 1928 otvorilo cestu k finálnemu riešeniu.

Fyzika termonukleárnych reakcií prebiehajúcich v Slnku je veľmi komplikovaná a rozoznávame viacero reakčných cyklov. Najdôležitejší je tzv. pp (protónovo-protónový) cyklus, ktorý má ešte podskupiny (PPI, PPII, PPIII). Na začiatku je základnou reakciou zrážka dvoch protónov a vytvorenie deutéria. Táto veta znie jednoducho, ale skrýva sa za ňou nesmierne mystérium jemne vyladených procesov.
Keďže oba protóny majú rovnaký elektrický náboj, prirodzene sa silne odpudzujú. Aby sa mohli spojiť, musia prekonať tzv. Coulombovu bariéru – veľkú odpudivú silu. Na to potrebujú mať veľkú rýchlosť pri zrážke. Túto rýchlosť by získali vtedy, keby plazma v Slnku bola zohriata na 16 miliárd K, čo je tisícnásobne vyššia teplota v porovnaní so skutočnou teplotou v Slnku (15 miliónov K).

 

Autor: RNDr. Aleš Kučera, CSc., Astronomický ústav SAV

Foto: Stanford University in Stanford.; NobelPrize.org. Nobel Media AB 2019 (upravené)

PZ: popis úvodnej foto: Rotácia a cirkulácia vnútri Slnka. Nad tachoklinou rotuje Slnko diferenciálne, t. j. na rovníku (a) sa otáča rýchlejšie (červená) ako na póloch (b) (modrá). Pod tachoklinou rotuje Slnko ako tuhé teleso, t. j. všade rovnakou rýchlosťou. Pohyb plazmy smerom od rovníka k pólom a naopak (d) vykazuje zložité protichodné prúdy, kredit NASA SDO/HMI, Stanford University in Stanford.

Uverejnila: VČ

 

Viac o ceste do vnútra Slnka, ako aj o iných zaujímavých témach, sa dočítate v časopise Quark (číslo 09/2019), ktorý nájdete v novinových stánkoch alebo si ho môžete predplatiť v elektronickej alebo papierovej verzii na www.quark.sk.

Súvisiace:

Hore
Prechod VK na VND - jeseň
výtvarná súťaž TVT 2019
Veda v Centre
Publikácie Veda v CENTRE
kúpa časopisov jún 2016
fotografická súťaž TVT 2019
Noc výskumníkov 2019
QUARK
Aurelium - centrum vedy
TVT 2019
TAG Slovenská veda
banner záhrady
Agrofilm 2019
Zaujímavosti vo vede
Pomer dĺžok druhého a štvrtého prsta na ruke indikuje mieru prenatálneho účinku testosterónu.
Zistite viac