Aktual'nye voprosy fiziki Solnca

1. Vvedenie

Vozrastayushii interes k fizike Solnca i geliosfery obuslovlen tem, chto processy, protekayushie v razlichnyh oblastyah solnechnogo veshestva i v okolocolnechnom prostranstve, harakterny dlya drugih kosmicheskih ob'ektov. Yavleniya tipa solnechnyh otkryty na drugih zvezdah: zvezdnye oscillyacii, pyatna, vspyshki, korony, vetry i glubokie i dlitel'nye minimumy aktivnosti. Solnce – blizhaishaya k nam zvezda. Vsego okolo vos'mi minut trebuetsya, chtoby solnechnye luchi dostigli Zemli, togda kak ot samoi blizkoi k nam zvezdy Proksima Centavra svet idet 4,3 goda. Takaya blizost' Solnca privodit k tomu, chto ona yavlyaetsya edinstvennoi zvezdoi, kotoruyu my vidim ne kak tochku, a kak disk. Poetomu imenno etu ("nashu") zvezdu mozhno izuchit' naibolee detal'no. Solnce i geliosfera predstavlyayut soboi unikal'nuyu gigantskuyu laboratoriyu, gde mozhno osushestvit' eksperimenty po proverke scenariev i modelei evolyucii zvezd, izucheniyu osnovopolagayushih problem magnitogidrodinamiki, fiziki plazmy, atomnoi fiziki i dazhe kosmologii i fiziki elementarnyh chastic.

Rezul'taty desyatiletnih eksperimentov po registracii solnechnyh neitrino pokazali, chto sushestvuyushaya uverennost' v tom, chto my dostatochno horosho znaem, kak idut termoyadernye reakcii v glubokih sloyah Solnca, po men'shei mere pokolebalas'.

S otkrytiem kosmicheskih luchei v 1912 godu svyazano nachalo astrofiziki vysokih energii, chto neizbezhno privelo k voprosu o mestonahozhdenii i mehanizme deistviya uskoritelya kosmicheskih luchei. Eti voprosy vse eshe ne resheny. 50 let nazad byl ustanovlen blizhaishii k nam "kosmicheskii" uskoritel' putem registracii kosmicheskih luchei vo vremya solnechnoi vspyshki. V rezul'tate kompleksnogo izucheniya solnechnyh vspyshek s ispol'zovaniem sputnikovoi tehniki, ballonnyh, nazemnyh i podzemnyh eksperimentov, dostignut znachitel'nyi progress v ponimanii vspyshechnogo processa (podrobnee ob etom v stat'e M.I. Pudovkina "Solnechnyi veter"). Odnako nekotorye voprosy, svyazannye s problemoi nakopleniya vspyshechnoi energii i generacii razlichnyh uskorennyh chastic, eshe ne resheny. Solnechnyi uskoritel' yavlyaetsya naibolee dostupnym instrumentom dlya detal'nogo izucheniya mehanizma generacii uskorennyh chastic po sravneniyu s drugimi astrofizicheskimi istochnikami.

Solnce yavlyaetsya edinstvennym astrofizicheskim ob'ektom, kotoryi nebezrazlichen dlya obitatelya Zemli. Ono sogrevaet nas svoim teplom, daruet svet, imenno Solnce sposobstvovalo poyavleniyu vsego zhivogo na Zemle i yavlyaetsya istochnikom vseh vidov energii, ispol'zuemoi chelovechestvom. I seichas, v svyazi s nepreryvnym uvelicheniem energeticheskih potrebnostei, reshaetsya problema pryamogo ispol'zovaniya solnechnoi energii, kotoraya izluchaetsya s porazitel'nym postoyanstvom milliardy let. Kazhdyi kvadratnyi metr poverhnosti Solnca v energeticheskom otnoshenii mozhno sravnit' s elektrostanciei moshnost'yu 60000 kVt. Nauchit'sya preobrazovyvat' solnechnuyu energiyu – znachit navsegda otvesti neumolimo navisshuyu nad chelovechestvom ten' energeticheskogo krizisa.

Zemlya pogruzhena vo vneshnyuyu isklyuchitel'no podvizhnuyu atmosferu Solnca i, sledovatel'no, podvergaetsya sil'nomu vliyaniyu pogody na Solnce. Solnce vozdeistvuet na klimat i biosferu, privodit v dvizhenie atmosferu planety i t. d. Poetomu issledovanie solnechno-zemnyh svyazei priobretaet osoboe nauchnoe i nauchno-prikladnoe znachenie.

V stat'e rassmotreny sleduyushie problemy, svyazannye s Solncem: deficit solnechnyh neitrino, problema izotopa ³He, i solnechnye vspyshki, bogatye ³He.

2. Solnechnye kosmicheskie luchi, bogatye izotopom ³He

Obychno solnechnoi aktivnost'yu nazyvayut kompleks razlichnyh yavlenii, proishodyashih v atmosfere Solnca i harakterizuemyh znachitel'nymi izmeneniyami so vremenem fizicheskih harakteristik otdel'nyh oblastei solnechnoi atmosfery. Istoricheski poluchilos' tak, chto, govorya o solnechnoi aktivnosti, prezhde vsego imeyut v vidu solnechnye pyatna. Eto spravedlivo i segodnya, tak kak sredi yavlenii solnechnoi aktivnosti trudno naiti bolee slozhnoe i neponyatnoe obrazovanie, chem solnechnoe pyatno. Solnechnye pyatna imeyut razmery ot tysyachi do desyatkov tysyach kilometrov i predstavlyayut soboi otnositel'no holodnye mesta fotosfery Solnca. Temperatura ih na 1500-2000 K nizhe temperatury okruzhayushei sredy. Pyatna imeyut tarelkoobraznuyu formu s dnom na glubine 700-1000 km. Solnechnye pyatna obladayut sil'nym magnitnym polem (2000-3000 Gs, inogda dazhe 5000 Gs). Takoe pole v sostoyanii umen'shit' ili dazhe podavit' konvektivnyi perenos energii v podfotosfernyh sloyah, tem samym sozdavaya deficit vyhodyashei luchistoi energii. Poetomu i schitaetsya, chto vinovnikom nizkoi temperatury solnechnyh pyaten yavlyaetsya imenno magnitnoe pole, ne pozvolyayushee perenosit' energiyu iz bolee nizkih sloev v bolee vysokie. Gruppy solnechnyh pyaten poyavlyayutsya ne po vsemu disku Solnca, a tol'ko v korolevskih zonah, raspolozhennyh na rasstoyanii primerno do 40° po obe storony ot solnechnogo ekvatora. Gruppy solnechnyh pyaten vblizi kraya vidimogo diska Solnca vsegda nablyudayutsya na urovne fotosfery v okruzhenii svetlyh voloknistyh obrazovanii, nazyvaemyh fotosfernymi fakelami. Oni kraine neodnorodny, a ih parametry – yarkost', temperatura, skorost' dvizheniya veshestva, napryazhennost' magnitnogo polya v raznyh oblastyah – menyayutsya v shirokom diapazone znachenii. Razmery ih ves'ma vnushitel'ny – ot desyatkov do soten tysyach kilometrov, vremya zhizni menyaetsya ot neskol'kih dnei do neskol'kih mesyacev.

Razvitie fakel'nyh ploshadok nachinaetsya s uvelicheniya ih yarkosti i kompaktnosti. Ploshad' fakel'nyh ploshadok postepenno uvelichivaetsya, zahvatyvaya oblast' vsego pyatna. Posle ischeznoveniya pyaten fakely stanovyatsya bolee ryhlymi i vse menee kontrastnymi, no po razmeru prodolzhayut rasti. Zatem ploshad' ih nachinaet umen'shat'sya i fakel'naya oblast' "teryaetsya" v okruzhayushei srede. Inogda v fakel'nyh ploshadkah, nablyudaemyh v linii vodoroda H_α, vnezapno proishodit znachitel'noe uvelichenie yarkosti v otdel'nyh mestah, chashe vblizi solnechnyh pyaten. Eto odna iz osobennostei samogo vpechatlyayushego yavleniya aktivnosti Solnca – solnechnoi vspyshki, kotoruyu legche vsego nablyudat'. Energiya krupnoi vspyshki dostigaet 10³³ erg, chto v neskol'ko sot raz bol'she, chem mozhno poluchit' pri szhiganii vseh razvedannyh zapasov nefti i uglya. Podavlyayushee bol'shinstvo solnechnyh vspyshek proishodit v raionah grupp solnechnyh pyaten so slozhnym stroeniem magnitnogo polya.

Odnim iz yarkih proyavlenii solnechnyh vspyshek yavlyaetsya uskorenie chastic do vysokih energii v verhnei chasti atmosfery Solnca. Solnechnye kosmicheskie luchi (SKL) registriruyutsya u Zemli v vide vnezapnyh rezkih povyshenii intensivnosti kosmicheskih luchei na fone galakticheskih kosmicheskih luchei. Poluchennyi iz nablyudenii verhnii predel energii SKL sostavlyaet okolo 200 GeV. Osnovnuyu dolyu SKL sostavlyayut protony, v men'shei stepeni yadra geliya i tyazhelyh elementov. Obnaruzhen unikal'nyi klass vspyshek – vspyshki, bogatye izotopom ³He. Ustanovlennoe na opyte anomal'noe obogashenie solnechnyh kosmicheskih luchei etim redkim izotopom – ochen' interesnoe yavlenie.

V nastoyashee vremya izvestno bolee 150 solnechnyh vspyshek, bogatyh izotopom ³He. Dlya 15 iz nih koefficient obogasheniya ³He otnositel'no izotopa ⁴He bol'she 5000, a dlya 70 – bolee 1000. Pod koefficientom obogasheniya ponimaetsya sootnoshenie

Anomal'no vysokoe otnoshenie potokov ³He i ⁴He, prevyshayushee faktor 10 (v solnechnoi atmosfere n₃/n₄=4·10^-4 ) yavlyaetsya glavnoi harakteristikoi sootvetstvuyushih vspyshek. Vopros o tom, gde i kakim obrazom voznikaet stol' sil'noe razdelenie izotopov, vse eshe yavlyaetsya predmetom intensivnyh obsuzhdenii i diskussii.

Vazhnym svoistvom issleduemyh sobytii yavlyaetsya otsutstvie izmerimyh potokov deiteriya ²H i tritiya ³H. Etot fakt i eksperimental'nye dannye po yadernym gamma-liniyam vo vremya vspyshek isklyuchayut vozmozhnost' obogasheniya solnechnyh kosmicheskih luchei izotopom ³He za schet yadernyh reakcii v atmosfere Solnca pod deistviem uskorennyh vo vspyshke protonov i α-chastic, tak kak odnovremenno s ³He dolzhny neizbezhno generirovat'sya deiterii, tritii i nablyudat'sya yadernye gamma-linii.

K nastoyashemu vremeni predlozheny sleduyushie interpretacii eksperimental'nyh dannyh.

1. Za schet plazmennyh effektov imeet mesto obogashenie izotopom ³He na stadii predvaritel'nogo nagreva vspyshechnoi plazmy.

2. Neposredstvenno pered vspyshkoi ili na nachal'noi stadii vspyshki vspyshechnaya oblast' obogashaetsya izotopom ³He za schet postuplenii ionov ³He iz glubinnyh sloev solnechnoi plazmy.

Poskol'ku uskorenie chastic proishodit ne v vakuume, a v dostatochno plotnoi plazme, lyuboi process uskoreniya soprovozhdaetsya poteryami energii za schet vzaimodeistviya chastic s okruzhayushimi ionami. Poetomu effektivnost' uskoreniya opredelyaetsya sootnosheniem tempa uskoreniya i tempa poter' energii. Dlya uskoreniya ochen' vazhnoi yavlyaetsya nachal'naya energiya uskoryaemogo iona ³He ili ⁴He.

Kakova vozmozhnost' obogasheniya vspyshechnoi oblasti izotopom ³He za schet termoyadernogo istochnika? Soglasno teoreticheskoi modeli po mere udaleniya ot centra Solnca koncentraciya ³He monotonno uvelichivaetsya. Na rasstoyanii 30 % radiusa R_ʘ ot centra ego koncentraciya dostigaet maksimal'nogo znacheniya 1 % i zatem postepenno umen'shaetsya. Poetomu prihod izotopa ³He termoyadernoi prirody vo vspyshechnuyu oblast' znachitel'no uvelichil by koncentraciyu ³He. Odnako polnost'yu reshit' v etoi modeli problemu vspyshek, bogatyh izotopom ³He, ne predstavlyaetsya vozmozhnym. Veroyatno, rabotayut odnovremenno dva mehanizma: preimushestvennoe uskorenie izotopa ³He i obogashenie vspyshechnoi oblasti izotopom ³He termoyadernoi prirody.

3. O probleme deficita potokov solnechnyh neitrino

Neitrino yavlyayutsya edinstvennymi chasticami, kotorye generiruyutsya v termoyadernoi pechi Solnca i besprepyatstvenno ego pokidayut. Uzhe cherez 2 sekundy posle ih rozhdeniya v glubokih nedrah nashego svetila neitrino "na svobode", imeya v svoei pamyati detal'nuyu informaciyu o glubokih nedrah.

V poslednie 30 let eksperimental'naya neitrinnaya astrofizika nepreryvno prepodnosit novye zagadki i voprosy. Postoyannyi deficit potoka solnechnyh neitrino po sravneniyu s predskazaniyami teorii iniciiroval razrabotku novyh idei i predlozhenii.

Imeyutsya chetyre serii eksperimental'nyh dannyh po registracii razlichnyh grupp solnechnyh neitrino. V techenie poslednih 30 let vedutsya radiohimicheskie eksperimenty na osnove reakcii ³⁷Cl+ν_e →³⁷Ar+e^- (hlor-argon). Soglasno teorii, osnovnoi vklad v etu reakciyu dolzhny vnesti neitrino ot raspada ⁸B (sm. tabl. 1) v redkoi vetvi proton-protonnogo cikla. Issledovaniya po registracii neitrino ot raspada ⁸B s izmereniem energii i napravleniya dvizheniya neitrino vypolnyayutsya v eksperimente KAMIOKANDE s 1987 goda. Radiohimicheskie eksperimenty po reakcii ⁷¹Ga+ν_e →⁷¹Ge+e^- vedutsya v techenie poslednih 5 let dvumya gruppami uchenyh neskol'kih stran. Vazhnoi osobennost'yu etoi reakcii yavlyaetsya ee chuvstvitel'nost' v osnovnom k pervoi reakcii proton-protonnogo cikla p+p→²H+e⁺+ν_e. Temp etoi reakcii opredelyaet skorost' energovydeleniya v termoyadernoi pechi Solnca v real'nom masshtabe vremeni. Vo vseh eksperimentah byl zafiksirovan deficit v potokah solnechnyh neitrino po sravneniyu s predskazaniyami Standartnoi solnechnoi modeli (SSM).

V eksperimente KAMIOKANDE bylo ustanovleno, chto zaregistrirovannye neitrino idut ot Solnca i ih energeticheskii spektr soglasuetsya s predskazaniyami teorii po spektru neitrino ot raspada ⁸B (nazyvaemoe ⁸B-neitrino). Izmerennyi potok neitrino sostavlyaet 2,7±0,5·10⁶ sm^-2·s^-1. Sravnenie etoi velichiny s predskazaniyami SSM pokazyvaet dvukratnyi deficit potoka neitrino v eksperimental'nyh dannyh. Ispol'zuya poluchennuyu v opyte velichinu potoka ⁸B-neitrino, mozhno vychislit' skorost' reakcii dlya hlor-argonovogo radiohimicheskogo eksperimenta. Ona okazyvaetsya v predelah ot 4 do 5 SEN (SEN – solnechnaya edinica neitrino, opredelyaemaya kak 10^-36 aktov reakcii v 1 sekundu s odnim yadrom misheni). V eksperimente s ³⁷Cl (eksperiment KAMIOKANDE) dlya skorosti toi zhe reakcii bylo polucheno znachenie 4,2±0,12 SEN. Takim obrazom, imeetsya horoshee soglasie mezhdu dvumya razlichnymi po principu raboty eksperimentami. V gallievom radiohimicheskom eksperimente osnovnoi vklad v skorost' reakcii dolzhny vnosit' neitrino ot pervoi reakcii proton-protonnogo cikla (pp-neitrino). Soglasno teorii vklad pp-neitrino sostavlyaet 71 SEN. S uchetom vseh grupp neitrino polnaya skorost' ravna 127 SEN. Po eksperimental'nym zhe dannym skorost' reakcii ⁷¹Ga+ν_e →⁷¹Ge+e^- sostavlyaet vsego 77±10 SEN, chto znachitel'no nizhe velichiny, predskazannoi teoriei. Takim obrazom, i v etom eksperimente nablyudaetsya deficit neitrino.

Sleduyushim posle pp-neitrino po vkladu v skorost' reakcii yavlyayutsya berillievye neitrino – 34 SEN, dalee ⁸B-neitrino – 14 SEN. Vklad neitrino ot uglerodno-azotnogo cikla sostavlyaet 10 SEN. Deficit ⁸B-neitrino mozhet imet' libo temperaturnuyu prirodu (potok ochen' sil'no zavisit ot temperatury T v centre Solnca: proporcional'no T ¹⁸), libo vyzyvat'sya ponizhennoi koncentraciei ⁷Be (v dva raza). V pervom sluchae soglasno teorii vklad v gallievuyu reakciyu ⁷Be-neitrino dolzhen byt' 34 SEN, a vo vtorom sluchae on budet v dva raza men'she. Takim obrazom, esli vychest' iz eksperimental'nogo znacheniya skorosti reakcii vklad ⁸B- i ⁷Be-neitrino, poluchim velichinu ot 35 do 55 SEN na dolyu pp-neitrino i neitrino ot CN-cikla. Teoreticheskoe znachenie vklada pp-neitrino sostavlyaet 71 SEN, to est' i v etom sluchae nablyudaetsya deficit.

Takim obrazom, sushestvuet global'nyi deficit solnechnyh neitrino. On predskazyvaetsya v ramkah gipotezy o povyshennom soderzhanii ³He v nedrah Solnca, predlozhennoi v 1970 godu sovetskimi fizikami G.E. Kocharovym i Yu.N. Starbunovym, po sravneniyu s predskazaniyami standartnyh modelei Solnca. Na ris. 1 predstavleny zavisimosti potokov razlichnyh grupp neitrino ot soderzhaniya izotopa ³He v nedrah Solnca. Po osi absciss ukazany koncentracii ³He v nedrah Solnca v SSM, a takzhe v solnechnom vetre. Eksperimental'nye dannye po potoku ⁸B-neitrino sootvetstvuyut vesovoi koncentracii ³He v oblasti goreniya vodoroda, ravnoi 3·10^-5. Eta velichina vsego v neskol'ko raz bol'she predskazannoi standartnoi solnechnoi model'yu dlya centra Solnca ( 7,7·10^-6) i znachitel'no men'she koncentracii ³He v solnechnom vetre (10^-4).

Ris. Zavisimost' potokov razlichnyh grupp neitrino ot vesovoi koncentracii Solnca

Vazhnym yavlyaetsya tot fakt, chto ukazannoe znachenie soderzhaniya ³He sushestvenno men'she, chem koncentraciya etogo izotopa, generirovannogo za schet reakcii vodorodnogo goreniya za vremya funkcionirovaniya yadernogo kotla v nedrah Solnca. Vesovaya koncentraciya nakoplennogo izotopa ³He v centre Solnca sostavlyaet 7,7·10^-6 i po mere udaleniya ot centra rastet, dostigaya velichiny 3,3·10^-3 na rasstoyanii 0,28R_ʘ. Privedennoe znachenie vesovoi koncentracii ³He – 3·10^-5 – poluchaetsya dazhe v tom sluchae, esli pervichnoe Solnce voobshe ne soderzhalo ³He kak v rezul'tate diffuzii ³He, tak i iz-za skachkoobraznogo izmeneniya struktury Solnca. Yasno, chto nepreryvnyi rost gradienta koncentracii ³He v nedrah Solnca ne mozhet byt' postoyannym. V processe goreniya vodoroda generiruetsya ochen' effektivnoe goryuchee ³He. K sozhaleniyu, teoriya ne v sostoyanii predskazat' velichinu gradienta koncentracii etogo izotopa, vyshe kotoroi neizbezhno dolzhen byt' pritok ³He v central'nuyu oblast'.

V eksperimentah na funkcioniruyushem v nastoyashee vremya sputnike SOHO (Solar Orbital Heliophysical Observatory – Solnechnaya Orbital'naya Geliofizicheskaya Observatoriya) obnaruzheny znachitel'nye dinamicheskie yavleniya v solnechnoi atmosfere, nesmotrya na to chto Solnce nahodilos' v sostoyanii nizkoi aktivnosti. Principial'no vazhnymi yavlyayutsya rezul'taty eksperimenta po izucheniyu oscillyacii Solnca. Ustanovleno, chto raspredelenie geliya v nedrah Solnca otlichaetsya ot predskazanii standartnoi modeli, a imenno: gradient po radiusu men'she, chem predskazyvaet teoriya. Etot rezul'tat svidetel'stvuet v pol'zu rassmotrennoi vyshe vozmozhnosti.

Takim obrazom, esli rassmotrennyi variant otrazhaet real'nost', to dolzhen byt' naibol'shii deficit neitrinnogo potoka ot raspada ⁸B i neskol'ko men'shii deficit potoka pp-neitrino. Potok ⁷Be-neitrino pochti ne menyaetsya po sravneniyu s predskazaniyami teorii SSM, a potok Ne p-neitrino (eto neitrino, voznikayushii v reakcii ³He+p→⁴He+ e⁺+ν_e) neskol'ko vozrastaet. Vse eto real'no mozhno proverit' v eksperimente. Predstoyashie eksperimenty BOREKSINO (registraciya ⁷Be-neitrino) i SUPERKAMIOKANDE ( ⁸B i Nep-neitrino) v blizhaishie gody dolzhny dat' otvet na vopros o tom, kakova zhe priroda obnaruzhennogo global'nogo deficita solnechnyh neitrino.

Rassmotrennye vyshe zagadki svyazany s udivitel'nym i interesnym izotopom ³He. Izotopy geliya horosho izvestny svoimi nestandartnymi svoistvami. Mozhet okazat'sya, chto v usloviyah bol'shih davlenii i temperatur v nedrah Solnca izotopy geliya prepodnesut nam ocherednoi syurpriz.

Literatura

1. Kocharov G.E. Yadernye reakcii na Solnce. M.: Znanie, 1976.
2. Kocharov G.E. Itogi nauki i tehniki. Ser. Astronomiya. M.: VINITI, 1987. T. 32. 43.