Солнечный луч добирается до Земли примерно за восемь минут, но энергия внутри него могла начать путь задолго до появления письменности. И всё же назвать её точный «возраст» одним числом нельзя. Внутри Солнца свет путешествует совсем не так, как между Солнцем и Землёй.
2. Восемь минут — только последняя часть дороги
От видимой поверхности Солнца до Земли около 150 миллионов километров. В пустом пространстве свет проходит это расстояние примерно за 8 минут 20 секунд. Если на Солнце сейчас что-то изменится, мы увидим событие лишь спустя эти восемь с небольшим минут.
Но свет, который покидает поверхность, несёт энергию, родившуюся гораздо глубже — в солнечном ядре. Там при температуре около 15 миллионов градусов и огромном давлении ядра водорода постепенно превращаются в гелий. Часть массы при этом переходит в энергию по знаменитой формуле Эйнштейна.
Сначала эта энергия появляется главным образом в виде очень жёсткого электромагнитного излучения — гамма-квантов. Если бы Солнце было прозрачным, они вылетели бы наружу за несколько секунд. Однако солнечное вещество настолько плотное, что прямой дороги у них нет.
3. Почему фотон не летит по прямой
Внутри Солнца фотон проходит совсем небольшое расстояние, затем поглощается частицей вещества. Почти сразу энергия испускается снова, но уже в другом направлении. Так повторяется невероятное количество раз: шаг вперёд, шаг вбок, иногда шаг назад.
Физики называют такое движение случайным блужданием. Простой пример — человек с завязанными глазами, который после каждого шага случайно меняет направление. Даже если каждый шаг короток и быстр, до далёкой стены он доберётся нескоро.
При каждом поглощении и переизлучении говорить об одном и том же фотоне уже неудобно. Исходный гамма-квант не хранится внутри Солнца как почтовая посылка с датой отправления. Его энергия делится, передаётся веществу и рождает множество новых фотонов с меньшей энергией.
Поэтому фраза «этот фотон летел сто тысяч лет» — полезное упрощение. Точнее сказать так: столько времени могла пробираться наружу энергия, которая теперь покидает Солнце в виде видимого света.
4. Последний участок проходит иначе
Примерно во внешней трети Солнца начинается конвективная зона. Здесь вещество уже переносит значительную часть энергии само: горячая плазма поднимается, остывает и опускается, немного напоминая воду в кастрюле. Только «кастрюля» имеет сотни тысяч километров в глубину.
На поверхности это движение видно как грануляцию — постоянно меняющийся узор из светлых ячеек. Добравшись до фотосферы, то есть видимого слоя Солнца, энергия наконец получает возможность уйти в космос. Здесь рождается большая часть света, который мы воспринимаем глазами.
Именно поэтому возраст солнечного света зависит от того, что считать началом пути. Сам фотон видимого света мог возникнуть совсем близко к поверхности. А энергия, которую он несёт, была высвобождена в ядре намного раньше.
5. Можно ли назвать точную дату рождения света?
Нет, и дело не только в сложности расчёта. В недрах Солнца энергия непрерывно переходит от излучения к движению частиц и обратно. Через некоторое время уже невозможно указать единственный квант, который «начал путь» в ядре и закончил его у поверхности.
Это похоже на тепло от батареи: энергия дошла до комнаты, но бессмысленно искать одну молекулу воды, ответственную за конкретный тёплый участок воздуха.
Кроме того, разные порции энергии выбираются наружу с разной скоростью. Одни случайные блуждания оказываются короче, другие длиннее. Поэтому модели дают распределение времён, а популярная оценка обычно обозначает характерный масштаб, а не возраст каждого луча с точностью до года.
6. Что говорит наука
Подтверждено наблюдениями, что Солнце получает энергию из термоядерного превращения водорода в гелий. Это согласуется с его светимостью, наблюдениями солнечных нейтрино и гелиосейсмологией — изучением волн, проходящих через солнечные недра. Нейтрино почти не взаимодействуют с веществом и вылетают из ядра практически сразу, поэтому дают нам почти мгновенную весть о происходящем там.
Время переноса энергии наружу нельзя измерить секундомером. Его рассчитывают по моделям плотности, температуры и непрозрачности солнечного вещества. В научно-популярных материалах встречаются оценки от десятков или сотен тысяч лет до более чем миллиона лет. Разброс возникает из-за разных упрощений и из-за того, какую часть пути включают в расчёт.
Надёжный вывод здесь не отдельная красивая цифра, а масштаб. Путь энергии через плотные слои Солнца занимает по меньшей мере многие тысячи лет и, согласно некоторым моделям, гораздо дольше. А последние 150 миллионов километров свет преодолевает всего за 8 минут 20 секунд.
7. Итог
Получается, свет, который касается вашего окна сегодня, сам по себе «молод», но принесённая им энергия чрезвычайно стара. Она начала пробираться из солнечного ядра, когда история человечества выглядела совсем иначе.
Поделитесь в комментариях: какой путь света разобрать следующим — от далёкой звезды или из центра галактики?
