Відкрийте уявну посудину з невеликою кількістю гарячого газу в порожньому просторі: газ почне розширюватися. Тепер уявімо Сонце. Воно теж не має твердої оболонки, яка замкнула б його речовину. Чому ж Сонце не розлітається? І якщо його утримує гравітація, чому воно не стискається без кінця?
Сонце — зоря, велетенське самогравітуюче тіло з гарячої речовини, переважно водню та гелію. Значна частина цієї речовини перебуває у стані плазми. Тяжіння стягує її до центра, а спад тиску назовні створює підтримку проти стискання. Таке пояснення добре починати із Сонця — зорі головної послідовності; пізні стадії життя та зоряні залишки потребують додаткових уточнень. NASA: будова Сонця, стадії життя зір.
Водень і плазма відповідають на різні питання
Слова «водень» і «гелій» називають хімічні елементи: з якої речовини складається зоря. Слово «плазма» описує її стан. Тому вислів «Сонце складається з плазми, а не з водню» змішує різні описи. Водень сам може бути складником плазми.
Щоб зрозуміти це без окремого уроку про атоми, достатньо маленької моделі. Атом має позитивно заряджене ядро та негативно заряджені електрони. У нейтральному атомі заряди компенсуються. Коли частина електронів відокремлюється, залишаються позитивні іони й вільні електрони. Газ із такими частинками може поводитися як плазма: проводити електричний струм і колективно реагувати на електричні та магнітні поля. DOE: що таке плазма.
У гарячих надрах Сонця зіткнення допомагають утримувати речовину сильно іонізованою. Проте слово «плазма» не означає, що кожен атом у кожному шарі втратив усі електрони. У зовнішніх областях Сонця часткова іонізація істотна. Відрив електрона також не перетворює водень на гелій: стан заряду змінився, а ядро залишилося тим самим. Christensen-Dalsgaard: рівняння стану сонячної речовини.
Назва «газова куля» корисна, якщо не уявляти її як земне повітря однакової густини всюди. У Сонця немає твердої кори, а умови сильно залежать від глибини. Його видима «поверхня», фотосфера, — область, звідки виходить більшість видимого світла, а не підлога, на яку можна стати.
Частинки рухаються, навіть коли зоря зберігає розмір
Повернімося до посудини з газом. Частинки безупинно рухаються в різних напрямках. Ударяючись об стінку, вони передають їй імпульс — змінюють її рух або силу, потрібну, щоб утримати її на місці. Середня сила на одиницю площі дає тиск. Нагрітий газ за незмінних об’єму та кількості частинок зазвичай тисне сильніше: їхній тепловий рух стає інтенсивнішим. OpenStax: молекулярна модель газу.
Усередині зорі немає стінок між шарами, але сусідні області речовини теж обмінюються імпульсом. Отже, тиск існує й без посудини. Гравітація водночас діє на всю масу й утримує гарячу речовину разом. Для Сонця головну частину внутрішнього тиску дає тепловий рух частинок; випромінювання теж робить внесок. Ця перша картина не охоплює всіх ефектів магнітного поля та потоків.
Відгалуження · З формуламиНеобов’язково · можна пропустити
Що саме означає «гарячіше — більший тиск»
У наближенні ідеального газу тиск частинок:
P ≈ nk_(B)T.
Тут P — тиск у паскалях, n — кількість частинок газу в одному кубічному метрі, T — абсолютна температура в кельвінах, k_(B) — стала Больцмана. До n входять іони, вільні електрони та нейтральні атоми чи молекули, якщо вони присутні; зв’язаний в атомі електрон окремою частинкою газу не рахується.
Порівняймо два стани з однаковим n у цьому наближенні:
(P_(2))/(P_(1)) ≈ (T_(2))/(T_(1)).
Якщо температура в кельвінах подвоїлася, тиск теж приблизно подвоїться. Це не означає, що нагріта зоря збереже попередні розмір і густину. Вона може розширитися, кількість частинок на одиницю об’єму зміниться; може змінитися й іонізація. Ми порівняли локальні стани за заданої умови, а не обчислили майбутнє Сонця. Для точних моделей потрібні поправки до ідеального газу. Рівняння стану й межі наближення.
Шар підтримує різниця тисків
Виділимо маленький тонкий шар усередині Сонця. Його внутрішня сторона ближча до центра; зовнішня — далі. Сусідня речовина тисне на нього з обох боків. Із внутрішнього боку тиск більший, тому сила назовні перевищує протилежну силу від зовнішнього боку. Різниця може врівноважити силу тяжіння, що діє на цей шар.
Це гідростатична рівновага: у середньому градієнт, тобто зміна тиску з відстанню, врівноважує силу тяжіння. Важливий саме спад тиску назовні. Якби на дві грані однакової площі діяв однаковий тиск, ці дві сили компенсувалися б, але тяжіння залишилося б. Princeton: гідростатична рівновага зір.
На схемі «вгору» означає назовні тільки для цього малого фрагмента. Простежте окремо дві сили від тиску та тяжіння, а потім подумки складіть їх.
Рівновага малого шару
Назовні від центра ↑
До центра ↓
- Fout
- Сила від зовнішнього, меншого тиску
- Fin
- Сила від внутрішнього, більшого тиску
- Fg
- Тяжіння шару
Сила від більшого внутрішнього тиску врівноважує силу від зовнішнього тиску разом із тяжінням шару.
Рівновага не зупиняє тепловий рух частинок. Вона також сумісна з потоками речовини та коливаннями навколо середньої структури. Сонце — рухоме середовище, а не застигла куля. Якщо підтримки в певній області бракує, речовина починає стискатися; якщо результуюча сила спрямована назовні, вона прискорюється назовні. Подальша перебудова змінює самі тиск, густину й температуру.
Гаряча речовина світиться; енергію треба поповнювати
Свічка й Сонце випромінюють світло, але джерела їхньої енергії різні. У звичайному полум’ї свічки енергію вивільняють хімічні реакції палива з киснем. Сонцю для світіння така реакція не потрібна. Його гаряча речовина випромінює, а енергія надходить із глибших областей. Сьогодні в сонячному ядрі ядерні реакції перетворюють водень на гелій і вивільняють енергію. NASA: чому Сонце не є звичайним вогнем.
Різниця між двома питаннями суттєва. «Чому речовина світиться?» стосується випромінювання гарячого середовища. «Чому воно довго залишається гарячим?» потребує джерела, яке поповнює втрати енергії. Синтез у надрах підтримує тривале світіння Сонця й умови для тиску, але це не окрема механічна стінка, що штовхає кожен шар.
Стадію стійкого синтезу водню в ядрі називають головною послідовністю. Пізніше у зорі можуть змінитися склад ядра та місця ядерних реакцій. Білий карлик — зоряний залишок — може світитися, поступово холонучи, без такого синтезу. Тому опис нинішнього Сонця не можна без уточнень переносити на все, що зустрічається під назвою «зоря». NASA: життя й залишки зір.
Відгалуження · ДоказиНеобов’язково · можна пропустити
Що показує світло, а що доводиться виводити
Астрономи розкладають світло на спектр і знаходять характерні набори ліній різних елементів. Це свідчення про речовину в областях, де формуються ці лінії. Щоб отримати кількість елемента, треба врахувати температуру, густину та утворення світла: найтемніша лінія не обов’язково означає найпоширеніший елемент. NASA/ESA: як читають спектр.
Звичайна фотографія фотосфери не відкриває непрозорі надра. Їхню будову виводять із фізичних моделей і перевіряють доступними спостереженнями. Наприклад, коливання сонячної поверхні несуть інформацію про внутрішню структуру; їх аналізує геліосейсмологія. Це не буріння і не прямий знімок ядра, а спосіб перевірити наслідки моделі. Christensen-Dalsgaard: геліосейсмологія.
Повернімося до уявної посудини. У Сонця немає її твердої стінки: газ утримує власне тяжіння. А від необмеженого стискання спокійну зорю підтримує тиск, який зростає вглиб. Водень і гелій називають основний матеріал, плазма — стан із вільними зарядженими частинками, світіння — вихід енергії.
Чи вистачило б просто великого, але однакового тиску на обох гранях нашого малого шару? Ні. Однакові сили від тиску взаємно скасувалися б, а вага шару лишилася б. Ця перевірка пояснює, чому в словах «тиск проти гравітації» не варто губити різницю тисків. А відмінність власного світіння від відбитого можна простежити на сонячному та місячному світлі. Далі в курсі розбиратимемо, як така зоря утворюється з хмари речовини.