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 ↑

Рівновага малого шаруМалий тонкий шар усередині зорі показано прямокутником. Знизу довша стрілка від тиску спрямована вгору, назовні; зверху коротша спрямована вниз. Окрема стрілка тяжіння шару також спрямована вниз, до центра.Виділений шарFoutFinFg

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.

Локальна схема, не зріз у масштабі й не симуляція. Верхня та нижня грані мають однакову площу. Довжини стрілок умовні, без числової шкали. Напрям назовні обрано вгору для цього фрагмента; обертання, магнітні сили та потоки не показано.Основа: рівняння гідростатичної рівноваги, Princeton.

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.