Nasze tajemnicze słońce – plazma czy ciekły metaliczny wodór?
Artykuł po raz pierwszy w języku polskim ukazał się w dwumiesięczniku Nexus w numerze 154 (2/2024)
Tytuł oryginalny: „Our Mysterious Sun: Gaseous Plasma or Liquid Metallic Hydrogen?”, Nexus (wydanie angielskie), vol. 30, nr 6
Stephen J. Crothers
Copyright © 2023
Wprowadzenie
Zaćmienie Słońca, do którego dojdzie 8 kwietnia 2024 roku, będzie widoczne na znacznym obszarze Ameryki Północnej. Rozpocznie się w Meksyku, a zakończy nad kanadyjskim Maritimes (patrz rycina 1).
Ryc. 1. Ścieżka zaćmienia Słońca, do którego dojdzie 8 kwietnia 2024 roku. (Grafika: Sky Scholar)
Zaćmienia Słońca są zazwyczaj bardzo wyczekiwanymi wydarzeniami. Niemal niewyobrażalne jest obserwowanie ich bez poczucia zdumienia co do naszego miejsca w bezmiarze Wszechświata. Zaćmienia Słońca są również okazją do przeglądu naszej wiedzy o tej gwieździe.
Wydaje się niepojęte, aby wkraczając w XXI wiek ktokolwiek mógł nadal kwestionować naturę Słońca.1,2,3 Kontestowanie przyjętych modeli słonecznych może nawet wywoływać u niektórych osób niepokój, podobnie jak to działo się podczas zaćmień doświadczanych przez dawne cywilizacje. W związku z tym dla niektórych ludzi jest nie do pomyślenia, że współczesna nauka całkowicie rozminęła się z prawdą w odniesieniu do Słońca, zwłaszcza że obecny standardowy model Słońca był rozwijany przez ponad 150 lat.4,5
Astronomowie mówią nam, że Słońce to tylko kula plazmy – tak prosta, że można ją traktować jako w pełni samosprężalny gaz idealny. To, nawiasem mówiąc, pozwala gwiazdom o odpowiedniej masie „zapadać się” w czarne dziury po wyczerpaniu ich paliwa. Wydaje się jednak, że działa to tylko przy założeniu, że gwiazdy są rzeczywiście gazami. Takie przewidywane konsekwencje sprawiły, że Słońce jako idealny gaz przeniknęło do myśli astrofizycznej.
Gazowe Słońce?
Jeśli Słońce rzeczywiście ma naturę gazową, to nie może posiadać prawdziwej powierzchni.1,2,3 To, co postrzegamy jako powierzchnię podczas zaćmienia, jest niczym innym jak złudzeniem optycznym. Przynajmniej tak nam się mówi. Astrofizyka musi przekonać nas, że powierzchnia nie jest prawdziwa, aby zachować swój standardowy model słoneczny. Poza brakiem prawdziwej powierzchni, co jeszcze nam się wmawia?
Cóż, uważa się również, że gwiazdy gazowe są obdarzone bardzo nietypową właściwością termodynamiczną – mają ujemną pojemność cieplną. Jest to o tyle ciekawe, że pojemność cieplna mas gazowych na Ziemi jest zawsze dodatnia. Im więcej ciepła dostaje się do zbioru cząsteczek gazu, tym bardziej wzrasta jego temperatura. Jeśli więc gwiazdy są gazami, to czy nie powinny mieć dodatniej pojemności cieplnej? Co dziwne, teoria astrofizyczna mówi „nie” i zapewnia, że jest odwrotnie – im więcej ciepła tracą gwiazdy, tym bardziej rośnie ich temperatura! Biorąc jednak pod uwagę zachowanie gazów na Ziemi, jak to możliwe? Astronomowie twierdzą, że jedyną różnicą jest ilość masy. Ale ile masy musi posiadać chmura gazu, aby jej pojemność cieplna zmieniła się z dodatniej na ujemną? Naukowcy unikają odpowiedzi na to konkretne pytanie, ponieważ podkreśla ono krytyczny problem związany z modelem gazowym.
Istnieje jeszcze jeden problem związany ze standardowym modelem słonecznym, a mianowicie to, że gwiazdy powstają w wyniku „grawitacyjnego zapadania się” obłoku gazowego. Ten rzekomy proces jest w rzeczywistości tym, co prowadzi do ich ujemnej pojemności cieplnej. Postulując grawitacyjne zapadanie się, astronomowie powołują się na oddziaływania grawitacyjne między cząsteczkami gazu, czym drastycznie zmieniają prawo gazu idealnego, naruszając teorię kinetyczną. Wykorzystują do tego równania wyprowadzone z eksperymentów wykorzystujących pojemniki, po czym całkowicie ignorują istnienie pojemnika. Zakładają samokompresję gazu, podczas gdy w laboratorium wymagane jest działanie czynnika zewnętrznego na powierzchnię, jak w przypadku zwiększania ciśnienia gazu podczas pompowania opony rowerowej. Co więcej, przy braku jakiegokolwiek ograniczenia przez rzeczywiste powierzchnie, nie ma definicji ciśnienia gazu. Fizycy słoneczni twierdzą jednak, że ciśnienie gazu istnieje w ich całkowicie gazowym Słońcu, gdzie nie ma ani zbiornika, ani rzeczywistej powierzchni. „Grawitacyjne zapadanie się” masy gazowej wymaga, aby system wykonywał pracę nad samym sobą, zwiększając swój własny porządek i zmniejszając własną entropię, co stanowi naruszenie drugiej zasady termodynamiki. Systemy przechodzące spontaniczne procesy w termodynamice muszą mieć rosnącą, a nie malejącą entropię. Gazy na Ziemi nie ulegają samokompresji, ale raczej rozszerzają się, aby wypełnić pustkę. To, że kolaps grawitacyjny prowadzi do ujemnej pojemności cieplnej, mówi nam, że takie procesy są niemożliwe. Rozwijając te trzy przesłanki, a mianowicie brak prawdziwej powierzchni, ujemną pojemność cieplną gazu i powstawanie gwiazd w wyniku kolapsu grawitacyjnego, astrofizyka zdecydowała się zaprzeczyć obiektywnej rzeczywistości. Musimy zatem rozważyć inny mechanizm budowy gwiazdy. W rzeczywistości powstawanie gwiazd prawdopodobnie odbywa się poprzez wykorzystanie prostych klastrów jonów wodoru, w których zachodzą reakcje kondensacji.4 Zanim jednak omówimy gwiazdy skondensowane, przyjrzyjmy się historii Słońca.
Rzut oka na historię Słońca
Starożytne społeczeństwa postrzegały Słońce jako źródło życia na Ziemi, w związku z czym kojarzono z nim różnych bogów, takich jak Utu w Sumerze i Ra w Egipcie. Słońce było czczone i uważane za kluczowe dla płodności, urodzaju, zmian pór roku i upływu czasu. Pomimo jego ogromnego znaczenia dla pradawnych cywilizacji budowa Słońca nie była przez nie rozważana. Jednymi z pierwszych, którzy zastanawiali się nad jego wewnętrzną strukturą, rozmiarem, odległością, źródłem światła i relacją z innymi gwiazdami, byli jońscy filozofowie. Anaksymenes uważał, że Słońce i gwiazdy są zbudowane z ognia. Podobnie uważał Parmenides, głosząc, że gwiazdy składają się ze sprężonego ognia, i twierdził, że Słońce powstało poprzez oderwanie się od Drogi Mlecznej jako gorąca, rozrzedzona mieszanina. Anaksagoras nauczał, że Słońce jest rozgrzanym do czerwoności kamieniem, podobnie jak inne gwiazdy. Wierzył, że Słońce i Księżyc nie są bogami, ale zwykłymi obiektami, za co został oskarżony o bezbożność przez władze ateńskie. Ksenofanes twierdził, że Słońce składa się z ognistych cząstek lub płonących chmur. Zmiana w myśleniu starożytnych greckich filozofów z kultu i adoracji na rozważanie wewnętrznej budowy była fundamentalną zmianą paradygmatu w astronomii.
Z biegiem czasu pojawiły się też inne koncepcje Słońca. Na przykład Sir William Herschel, czołowy astronom z początku XIX wieku, skonstruował własny model Słońca wraz z jego mieszkańcami znanymi jako Solarianie.5 Ale ku swojemu przerażeniu odkrył wkrótce, że Słońce emituje promieniowanie podczerwone. Aby chronić swoich Solarian, Herschel umieścił źródło promieniowania w zalegających chmurach i poprawił swój model Słońca, dodając odblaskową osłonę pod chmurami. W ten sposób Solarianie mogli przetrwać na chłodniejszej powierzchni wewnętrznej.5 To jeden z wielu przykładów pokazujących, że astronomom brakuje wyobraźni, kiedy starają się ochronić swoje cenne pomysły w obliczu nowych danych, które im przeczą.
Współczesna koncepcja Słońca jako gorącej kuli gazowej plazmy narodziła się w roku 1858. Stan gazowy został po raz pierwszy przedstawiony przez znanego ewolucjonistę Herberta Spencera i wkrótce potem przyjęty zarówno przez Hervé Faye’a we Francji, jak i ojca Angello Secchiego z Obserwatorium Watykańskiego w Rzymie.5 Amerykański naukowiec teoretyczny J. Homer Lane zaproponował w roku 1870, że Słońce można traktować jako gaz idealny. Do rozwoju koncepcji gazowego Słońca przyczyniło się jeszcze wielu innych uczonych, w tym uważany za jednego z najwybitniejszych Sir Arthur Stanley Eddington z Cambridge.6 Jego praca Internal Constitution of the Stars (Wewnętrzna budowa gwiazd)7 stała się klasycznym dziełem, w którym przedstawił argumenty na rzecz koncepcji gwiazd jako gazów idealnych, czego zwieńczeniem była jego relacja masy do jasności. Eddington stwierdził:
Materia Słońca, pomimo gęstości większej niż woda, jest naprawdę idealnym gazem. Brzmi to niewiarygodnie, ale tak musi być.6
Nie wszyscy jednak wierzyli w słuszność poglądów Eddingtona. Na przykład Sir James Jeans stwierdził, że „wszystkie teoretyczne badania Eddingtona opierały się na założeniach, które wykraczają poza prawa fizyki”. Twierdził również, że „…nie ma ogólnej zależności między masami i jasnościami gwiazd…”.6 Zdaniem Jeansa Eddington był daleki od udowodnienia, że gwiazdy mogą być traktowane jako gazy doskonałe. W rzeczywistości dokładny przegląd zależności masy i jasności Eddingtona ujawnia, że narusza ona prawa termodynamiki.8 Chociaż główna sekwencja gwiazd posiada dobrze określoną zależność między masą i jasnością, to jednak wyjaśnienie Eddingtona nie może być poprawne.
W przeciwieństwie do Eddingtona Jeans twierdził, że gwiazdy zachowują się jak ciecze. Było to przyczyną jego dobrze znanych sporów z Eddingtonem.6 Jeans argumentował, że duża liczba gwiazd to układy podwójne i że takie układy najlepiej wyjaśnia rozszczepienie szybko obracającej się płynnej masy. Twierdził również, że płynne gwiazdy byłyby z definicji nieściśliwe:
Analiza matematyczna pokazuje, że jeśli centrum gwiazdy jest płynne lub częściowo płynne, nie ma niebezpieczeństwa zapadnięcia się. Płynne centrum stanowi tak solidną podstawę dla gwiazdy, że uniemożliwia jej zapadnięcie się.6
Jeans wierzył, że Słońce jest zasilane przez rozszczepienie pierwiastków takich jak uran i rad. W związku z tym gdy odkryto, że Słońce składa się głównie z wodoru, znalazł się bez budulca i porzucił koncepcję ciekłych gwiazd. Jeśli chodzi o Eddingtona, prawidłowo zauważył, że Słońce jest zasilane przez fuzję atomów wodoru w celu wytworzenia helu. Szachowa rozgrywka miedzy Jeansem i Eddingtonem dobiegła końca. Gazowy stan Słońca został zakorzeniony w astrofizyce.6
