Küneş ne içün milliardlarca yıl sönmey?

Mum balavuznı sarf ete, oña oksigen kelip turması kerek ve soñunda söne. Küneş de er saniye etrafındaki fezağa enerjiya bere, amma artıq milliardlarca yıl ışıq saça. Böyle büyük ihtiyat qaydan kele ve ne içün episi birden sarf olunmay?

Küneşni sıcaq çekirdekteki çekirdek birleşmesi besley: hidrogen ardı-sıra reaktsiyalar vastasınen geliyge çevirile ve enerjiya çıqara. İstifade etile bilgen hidrogenniñ pek büyük ihtiyatı, er kilogramdan büyük enerjiya çıquvı ve reaktsiyalarnıñ yavaş, öz-özünden tertiplengen tempi bu devirniñ milliardlarca yıl devam etmesine imkân bere. Amma ihtiyat sınırlıdır. NASA: Küneş enerjiyasınıñ menbası.

Mumda bağlar, Küneşte çekirdekler deñişe

Kimyeviy yanuvda madde oksigennen reaktsiyağa kire: atomlar elektronlar iştirak etken bağlarnı deñiştirip, yañı birleşmeler meydanğa ketire. Atom çekirdekleri ise aynı elementlerniñ çekirdekleri olaraq qala. Küneş aqqında «yana» demek yañıltıcı ola bile, çünki onıñ esas enerjiya menbasına oksigennen böyle reaktsiya kerek degil. NASA/RHESSI: ne içün Küneş kimyeviy alev degil.

Atomnıñ merkezinde kiçik çekirdek bar. Adetiy hidrogenniñ çekirdegi — müsbet elektrik yüklü bir proton. Eñ çoq rastkelgen geliy çeşidiniñ çekirdeginde eki proton ve eki neytron, yani elektrik yükü olmağan parçacıq bar. Hidrogenden geliy almaq içün çekirdeklerniñ özüni qayta qurmaq kerek. Bu — çekirdek çevrilmesidir.

Küneş çekirdeginde madde plazma alındadır: çekirdekler ve elektronlar alışqan neytral atomlarnı teşkil etmey. Merkezge yaqın araret taqriben 15 million °C. Çekim pek büyük massanı bir arada tuta ve sıcaq, sıq çekirdek içün şartlar yarata. Enerjiyanıñ esas qısmı körüngen tış qatlamda degil, mında üretilir. NASA: çekirdek ve fotosfera.

Geliyge siyrek çevrilmeler zıncırı alıp bara

Protonlar aynı elektrik yüküne malik olğanı içün bir-birini iter. Yüksek araret olarnıñ areketini daa enerjiyalı ete, büyük sıqlıq ise çoq yaqınlaşuvlar bere. Amma Küneşteki birleşmeni yalnız klassik «barerni aşacaq qadar tezleşüv» ile añlatmaq olmaz. Kvant tunnel tesiri müimdir: parçacıqlarnıñ energiyası barerni klassik usulnen aşmağa yetmese de, ondan keçüv ihtimalı bar. Bu, parçacıqlar arasındaki bir teşik degil, mikrodünyanıñ hususiyetidir. DOE: tunnel tesiri ve proton-proton birleşmesi.

Küneşte enerjiya aluvnıñ esas yoluna proton-proton, ya da pp-zıncır derler. Evvelâ eki proton deyteriy çekirdegi meydanğa ketire; bu, bir protonı ve bir neytronı olğan hidrogen çeşididir. Bunıñ içün bir proton zayıf tesirleşüv vastasınen neytronğa çevirile. Elektronnıñ antiparçacığı olğan pozitron ve maddenen pek zayıf tesirleşken neytrino da çıqa. DOE: Küneş birleşmesiniñ başlanğıcı.

Soñraki çevrilmeler geliy çekirdeklerini qura. Zıncırnıñ bir dalını er kartada yuqarıdan aşağı oquñız. İlk eki adım eki kere kerek: tek o zaman soñki adım içün eki geliy-3 çekirdegi bar olur.

Hidrogenden geliyge bir yol: pp-I

Eki kere kerek
Eki proton deyteriy meydanğa ketire
¹H + ¹H↓²H + e⁺ + νₑ
Bir proton neytronğa çevirile; pozitron ve neytrino çıqa.
Eki kere kerek
Deyteriy daa bir protonnı qoşa
²H + ¹H↓³He + γ
Yüksek enerjiyalı ışınlanma kvantı — gamma-foton çıqa.
Bir kere kerek
Eki geliy-3 çekirdegi geliy-4 meydanğa ketire
³He + ³He↓⁴He + ¹H + ¹H
Eki proton plazmağa qayta ve yañı reaktsiyalarda iştirak ete bile.

¹H — proton; ²H — deyteriy; ³He ve ⁴He — geliy çekirdekleriniñ eki çeşiti. e⁺ — pozitron; νₑ — elektron neytrinosı; γ — gamma-foton.

Bu dalnıñ balansı: 6 proton kire, 2-si qayta. Temiz netice — 4 protonnıñ bir geliy-4 çekirdegina çevrilmesi, başqa parçacıqlar ve enerjiyanıñ çıqması.

Bu, dört protonnıñ bir vaqıttaki toqquşuvı degil, ardı-sıra çevrilmelerniñ şemasıdır. pp-zıncırnıñ başqa dalları, pozitronlarnıñ soñraki annigilyatsiyası, vaqıt ve mesafe miqyasları kösterilmegen.

Demek, «dört hidrogen çekirdegi geliyge çevirile» sözü bir qaç reaktsiyanıñ umumiy neticesini bildire; dört proton bir noqtada birden toqquşa demek degil. Kösterilgen pp-I yolu Küneş birleşmesiniñ bütün dallarını içine almay. Ohio State: proton-proton zıncırı.

Tınçlıq massaları farqı enerjiyanıñ başqa şekillerine keçe

Hidrogen geliyge tam çevrilgenden soñ, qalğan parçacıqlarnıñ umumiy tınçlıq massası başlanğıç parçacıqlarnıñkinden biraz az olur. Farqqa parçacıq areketi ve ışınlanma taşığan enerjiya uyğun kele. Geliy çekirdegi daa sıq bağlıdır: böyle bağlı alğa kelüv enerjiya çıqarmağa imkân bere.

Hidrogen → geliy umumiy balansında elektronlarnı ve pozitronlarnıñ elektronlarnen soñraki annigilyatsiyasını esapqa alsaq, enerjiya çıquvı başlanğıç hidrogen massasınıñ taqriben 0,7%-ine uyğun kele. Qalğannıñ büyük qısmı geliyde qala. Küneş yaqıtnıñ bütün massasını ışıq yapmay, enerjiya da yoqtan peyda olmay. OpenStax: Küneş reaktsiyalarında massa ve enerjiya.

Dal · FormulalarnenMecburiy degil · keçirip kete bilesiñiz

Bir kilogram hidrogenni çevirmek ne bere?

Tınçlıq massaları farqı $\Delta m$ ile çıqqan enerjiya $E$ arasındaki bağ:

E=\Delta m\,c^2.

Mında $c$ — boşluqtaki ışıq tezligi, yuvarlaqlap $3\times10^8$ m/s. Geliyge tam çevrilgen $m=1$ kg hidrogen içün $\eta\approx0{,}007$ payını alayıq. O zaman:

\begin{aligned} \Delta m&\approx0{,}007\ \text{kg},\\ E&\approx6{,}3\times10^{14}\ \text{J}. \end{aligned}

Kilogramnıñ kiçik bir payı bile $c^2$ çarpanı sebebinden büyük enerjiya bere. Bu — neytrino alıp ketken paynı da içine alğan reaktsiyalarnıñ umumiy enerjiyası. Plazmada biraz azı qala. Taqribiy 0,7% bu çevrilmege aittir; er bir çekirdek reaktsiyası içün umumiy pay degil.

Enerjiyanıñ büyük qısmı etraftaki maddege berile. Soñra o, ışınlanma ile tışarı taşına; iç qısımlarnıñ tış bölgesinde plazma areketi — konvektsiya da iştirak ete. Yutuluv, saçılma ve yañıdan ışın çıqaruv bunı çekirdekten yüzeyge doğru uçqan bir deñişmegen foton kibi tasavvur etmege yol bermey.

Körüngen Küneş ışığı esasen arareti taqriben 5500 °C olğan fotosferadan çıqa. Bu qatlamnıñ sıcaq maddesi ışın saça; daa sıcaq çekirdekteki reaktsiyalar enerjiya aqımını devam ettire. NASA: enerjiyanıñ taşınması ve körüngen yüzey.

Reaktsiyalar yavaş, yıldız ise öz şartlarını deñiştire

Küneşte protonlar sayısı pek büyük, amma başlanğıç pp-çevrilmesiniñ muvafaqiyetli olması pek az ihtimallıdır. Elektrik itişmesi ve zayıf tesirleşüvniñ iştirakı bu adımnı yavaş ete. Şunıñ içün hidrogen ihtiyatı bir parıldavda episi işlenip bitmey. Aynı zamanda protonlar o qadar çoq ki, siyrek reaktsiyalarnıñ cemisi pek büyük qudret bere. DOE: başlanğıç adım ne içün yavaş.

Sabitlikniñ ekinci sebebi de bar: menfiy keri bağ. Bugünki Küneş çekirdeginde enerjiya ishlab çıqaruv biraz artqanını köz ögüne ketirelim. Qızuv basımnı arttıra ve çekirdek çekimge qarşı keñişley. Keñişkende suvuya, birleşme tezligi eksile. Deñişüv özüni zayıflatqan bir cevap doğura.

Enerjiya ishlab çıqaruv yoqaltuvlarnı qapatmağa yetmese, çekirdek çekim tesirinden sıqıla. Sıqıluv maddeni qızdıra ve birleşmeni arttıra. Bunı çoq kere yıldız «termostatı» dep adlandıralar, amma içeride bir datçik ya da açqıç yoq. Çekim, basım, enerjiya taşıluvı ve reaktsiyalarnıñ araretke bağlılığı işley. Ohio State: gidrostatik öz-özünden tertiplenüv.

Bu añlatma Küneşniñ uzun sabit devrine aittir. O, er bir yıldız er bir alda daima muvazenetke qayta ya da Küneşniñ ışıq qudreti ebediy deñişmeden qala demek degil.

Milliardlarca yıl: ihtiyatnı sarf etüv tempine bölüv

Küneşte hidrogen çoq, amma şimdiki devir içün sıcaq çekirdekte qullanıla bilgen hidrogen müimdir. Daa serin tış qatlamlardaki hidrogenni şimdi merkeziy birleşmeni devam ettirgen yaqıtqa sade qoşmaq olmaz. Vaqıt keçken sayın çekirdek terkibi deñişe: geliy arta, hidrogen eksile.

Büyük qullanıla bilgen ihtiyat ve büyük çekirdek enerjiya çıquvı beraber milliardlarca yıl devam etüvni bere. Küneş taqriben 4,6 milliard yıl evel şekillendi. Merkezdeki hidrogen ihtiyatı yetmez olğanda, yıldız qurulışını deñiştirir ve evolyutsiyanıñ başqa devirlerine keçer; mum kibi bir anda sönmez. NASA: Küneşniñ şekillenmesi ve evolyutsiyası.

Dal · FormulalarnenMecburiy degil · keçirip kete bilesiñiz

Keri sayım degil, vaqıt miqyasınıñ taqribiy esabı

Merkeziy hidrogen birleşmesiniñ bütün devri içün sadeleştirilgen bir bütçe berelim. Çevrilmege açıq hidrogenniñ effektiv massası $m_f$ , Küneş massasınıñ taqriben onda biri olsun. Bu — esap içün saylanğan qaba oriyentir; ölçelgen bugünki qalıntı ya da bütün çekirdek saf hidrogendir degen iddia degil:

m_f\approx2\times10^{29}\ \text{kg}.

$\eta=0{,}007$ , $c\approx3\times10^8$ m/s ve sabit ışıq qudreti $L\approx4\times10^{26}$ W alayıq. Soñki miqdar Küneşniñ er saniye ışın olaraq çıqarğan enerjiyasıdır. O zaman:

\begin{aligned} E_f&\approx\eta m_f c^2,\\ E_f&\approx1{,}26\times10^{44}\ \text{J},\\ t&\approx\frac{E_f}{L},\\ t&\approx3{,}15\times10^{17}\ \text{s}. \end{aligned}

Bir yılda yuvarlaqlap $3{,}16\times10^7$ saniye dep alsaq, bu taqriben 10 milliard yıl olur. Birlikler uyuşa: coulnı saniye başına coulğa bölsek, saniye çıqa. Aynı ışıq qudretinde büyük ihtiyat daa uzun vaqıt berir; aynı ihtiyatta büyük ışıq qudreti daa qısqa vaqıt berir.

Neytrino enerjiyasına ayrı tüzeltmeni, ışıq qudretiniñ, terkipniñ ve yaqıtqa irişimniñ deñişmesini esapqa almadıq. Şunıñ içün netice Küneşniñ tam yaşını ya da bugünden qalğan vaqıtnı degil, miqdarnıñ mertebesini köstere. Küneşniñ bütün tınçlıq enerjiyasını $M_\odot c^2$ ışıq qudretine bölmek hata olur edi: bütün massa yaqıt olaraq qullanılmay ve yaqıtnıñ bütün massası enerjiya olaraq çıqmay. University of Oklahoma: çekirdek beslenüviniñ müddeti aqqında mesele, s. 6.

Çekirdekten teşkerile bilgen iz — neytrino kele

Esap birleşmeniñ kerek enerjiyanı bere bilgenini köstere. Amma tek esap Küneşte tam da şu olğanını isbatlamaz. Model maddenen deyerli tesirleşmeden iç qısımlardan çıqqan neytrino aqımını da ögünden ayta.

2014 senesi Borexino işbirligi başlanğıç proton-proton protsessinden kelgen neytrinolarnı qayd etkenini bildirdi. Yerastı detektor siyrek tesirleşüvlerni qayd etti; araştırıcılar signalnıñ enerjiya spektrini ve fon paylarını talil etti. Bu, çekirdekteki reaktsiyalarnıñ közlemlene bilgen neticesi olaraq, Küneş enerjiyasınıñ çekirdek izaatını destekley. Detektor Küneşteki tek bir birleşmeniñ fotosını çekmedi. Borexino: asıl netice ve açıq malümat.

Mumğa qaytayıq. Oksigen kelüvi toqtasa, bu Küneşteki birleşmeni toqtatırmı? Yoq: pp-zıncırğa hidrogen çekirdekleri ve uyğun şartlar kerek, oksigen onıñ reaktsiya maddesi degil. Aynı qullanıla bilgen çekirdek ihtiyatında enerjiya daa tez sarf etilse, devir qısqarır edi. Bular eki ayrı sual: menbanı ne besley ve o ihtiyatını ne qadar tez sarf ete?

Küneş çekirdek ihtiyatı, siyrek başlanğıç reaktsiyalar ve sıcaq yıldıznıñ özüni tertiplemesi sayesinde milliardlarca yıl ışıq saça. O sınırlıdır, amma onıñ vaqıt miqyası insan ömründen pek büyüktir. Bu enerjiyanıñ yolunı daa uzaq izlemek isteseñiz, Küneşniñ öz ışığı ile Aynıñ qaytarğan ışığı arasındaki farqqa qaytıñız. Kursnıñ soñraki mevzusı atomlarnı ve çekirdek qurulışınıñ elementni nasıl belgilegenini daa tafsilâtlı añlatır.