Elektryczne Słońce i mit nuklearnego pieca

Artykuł po raz pierwszy w języku polskim ukazał się w dwumiesięczniku Nexus w numerze 44 (6/2005)
Tytuł oryginalny: „The Electric Sun & the Myth of the Nuclear Furnace”, Nexus (wydanie angielskie), vol. 12, nr 5

David Talbott

Jakie jest źródło słonecznego światła i ciepła? Przez cały okres swojego istnienia ludzie proponowali odpowiedzi na to pytanie, które były odzwierciedleniem ich wiedzy w danym momencie. Słońce było jaśniejącym bogiem lub „iskrą” rzuconą w akcie tworzenia. Później stało się stosem płonących patyków lub węgla.

W XIX wieku astronomowie przyzwyczaili się do myśli, że grawitacja jest dominującą na niebie siłą i na tej podstawie wysnuli przypuszczenie, że Słońce może być efektem „grawitacyjnego kolapsu”, czyli ściśniętymi przez grawitację gazami słonecznymi. Ta prosta hipoteza, jak utrzymują jej zwolennicy, wyjaśnia emisję energii przez dziesiątki milionów lat. Jednak pod koniec XIX wieku geolodzy uzyskali pewność, że Ziemia jest znacznie starsza, niż wynikało to z modelu proponowanego przez astronomów. W rezultacie między astronomami i geologami zrodził się konflikt, który trwał przez kilkadziesiąt lat.

Później, w roku 1920, brytyjski astronom Arthur Eddington połączył ideę grawitacyjnego kolapsu z ekscytującą nową koncepcją fizyczną – syntezą jądrową. Zaproponował hipotezę głoszącą, że w jądrze Słońca temperatura i ciśnienie zapoczątkowały reakcję jądrową, w której wodór przekształca się w hel.

W roku 1939 dwaj pracujący niezależnie astrofizycy, Subrahmanyan Chandrasekhar i Hans Bethe, rozpoczęli proces kwantyfikacji teorii grawitacyjnego kolapsu i jądrowej syntezy. Bethe opisał wyniki swoich obliczeń w krótkiej pracy zatytułowanej „Wytwarzanie energii przez słońca”, którą opublikował w tym samym roku.

Model będący konsekwencją prac Eddingtona, Chandrasekhara i Bethego opisywał „nuklearny piec” jako czynnik odpowiedzialny za zapłon gwiazd. Kosmolodzy, astronomowie i astrofizycy przez dziesięciolecia akceptowali to jako fakt. W pierwszych sformułowaniach tego „standardowego modelu” powstawania gwiazd mówiło się, że siła grawitacji działająca w pierwotnej chmurze prowadzi stopniowo do ściśnięcia jej do postaci „okrągłego gwiezdnego dysku”, podczas gdy zewnętrzny materiał chmury „zapada” się do wewnątrz i grawitacja zapoczątkowuje życie kuli wielkości gwiazdy, której temperatura jądra nieustannie rośnie za sprawą stałego wzrostu ciśnienia. Zderzenia atomów wewnątrz jądra stają się tak energetyczne, że jądra są odzierane z elektronów, wskutek czego powstaje mieszanina wolnych elektronów i jąder wodoru (plazma, jak dziś ją rozumiemy). W gwiazdach porównywalnych z naszym Słońcem o przypuszczalnej temperaturze jądra mniejszej niż 15 milionów stopni kelwina reakcje jądrowe rozpoczynają się, kiedy protony wodoru zostają połączone lub sklejone ze sobą w wyniku reakcji syntezy wodoru „proton z protonem” prowadzącej do wytworzenia helu.

Jednak krytycy wskazywali, że temperatury osiągane zgodnie ze standardowymi prawami gazów nie są wystarczające do zainicjowania syntezy jądrowej. Przywoływali „barierę Coulomba”, w tym przypadku elektrycznego odpychania się protonów lub podobnych ładunków. Kiedy już protony zostają połączone, utrzymują się razem przy pomocy silnych oddziaływań jądrowych, które mają przewagę jedynie na niewielkich odległościach. Aby doprowadzić do syntezy, protony musiałyby przedostać się przez barierę w postaci odpychającej siły elektrycznej, która jest dostatecznie silna, aby stale utrzymywać je z dala od siebie. Sukcesorzy Eddingtona uzupełnili tę niemożność czymś, co nazwali „tunelowaniem kwantowym”, które pozwala niewielkiemu procentowi protonów na „pojawienie się” poza barierą w dowolnym czasie.

Jak na ironię wczesne zastrzeżenia wobec modelu Słońca opartego na syntezie jądrowej dotyczyły głównie potężnych sił elektrycznych. Było to na długo przed nadejściem ery kosmicznej z jej odkryciem, że przestrzeń międzyplanetarną i międzygwiezdną wypełniają naładowane cząsteczki plazmy, i na długo przed systematycznymi badaniami plazmy i elektryczności w przestrzeni kosmicznej.

Elektryczna gwiazda

Zwolennicy modelu „jądrowego pieca” przyjęli cały szereg podstawowych założeń, które były znane astronomii na długo przed pojawieniem się nuklearnego modelu Słońca. Wiarygodność tych założeń nie była dla nich istotna. Założyli, że rozproszone w przestrzeni chmury gazu zapadają się grawitacyjnie w ciała o rozmiarach gwiazd. Założyli, że masę Słońca można w prosty sposób obliczyć na podstawie ruchu planet. Założyli, że newtonowskie obliczenia masy w połączeniu ze standardowymi prawami gazów pozwalają im określić temperatury i ciśnienia panujące w jądrze Słońca. Pionierzy modelu pieca nuklearnego przyjęli jeszcze jedno założenie obowiązujące w astronomii ich czasów, które mówi, że Słońce i planety są elektrycznie obojętne. Nie zastanawiali się nad rolą pól magnetycznych generowanych przez prądy elektryczne.

Elektryczna gwiazda