Любой образованный человек сразу скажет, что Солнце светит за счет протекающих в его недрах термоядерных реакций, в ходе которых водород превращается в гелий. Для ученых такой констатации мало, вопрос в деталях - какие цепочки термоядерных реакций дают какой вклад в энергетический баланс?
Для человечества Солнце было, есть и всегда будет звездой "дорогой, любимой, единственной". Но с формальной точки зрения оно является звездой довольно заурядной. Казалось бы, в сравнении со столь интересными объектами, как нейтронные звезды, черные дыры или квазары, Солнцу особенно нечем похвастать в плане "физики переднего края". Однако это не так - именно ему мы обязаны одним из важнейших открытий последних лет.
В шестидесятые годы прошлого века нейтринная астрономия делала первые шаги, и единственным доступным наблюдению объектом было Солнце (первым, и пока единственным, объектом вне пределов Солнечной системы, от которого был зафиксирован нейтринный сигнал, явилась сверхновая звезда, вспыхнувшая в Большом Магеллановом облаке в 1987 г.). К этому времени уже появились модели внутреннего строения звезд, позволяющие на основе описания протекающих в их недрах термоядерных реакций рассчитывать суммарное энерговыделение и, следовательно, светимость звезды. Естественным объектом, на котором можно эти модели можно было апробировать и калибровать, является Солнце, светимость которого известна очень хорошо (примерно 3.85 x 1026 Вт). И вот, по мере накопления информации о потоке солнечных нейтрино, все яснее и яснее стала вырисовываться серьезная проблема - поток нейтрино, предсказываемый на основе стандартной модели Солнца исходя из его светимости, в несколько раз превышал реально регистрируемый поток. И никакие вариации параметров модели не позволяли добиться согласия с экспериментом...
Было высказано множество гипотез, в том числе и довольно экзотических. Можно было стремиться серьезно пересмотреть стандартную модель Солнца, можно было поступить и изящнее. Например, предположить, что сравнительно недавно (по звездным масштабам) в результате перемешивания вещества в недрах Солнца изменились условия протекания ядерных реакций, что и за собой повлекло падение потока нейтрино, в то время как электромагнитное излучение от Солнца еще осталось на прежнем, "дореформенном" уровне. Ведь если для нейтрино солнечное вещество практически прозрачно, то для фотонов ситуация совершенно иная: излучаемые в процессе термоядерных реакций гамма-кванты фактически заперты в центре звезды. Лишь через миллионы лет их отдаленные "потомки", гораздо более низкоэнергетичные фотоны, достигают поверхности звезды и получают возможность уйти в окружающее пространство. Поэтому наблюдаемую нейтринную аномалию можно было бы объяснить, предполагая, что поток нейтрино определяется нынешним состоянием солнечных недр, а наблюдаемая интенсивность элекромагнитного излучения - тем, каково оно было миллионы лет назад.
В числе довольно экзотических гипотез долгие годы числилось предположение о том, что наблюдаемый эффект является следствием нейтринных осцилляций (взаимопревращений нейтрино разных сортов). Действительно, детекторы регистрировали лишь один тип нейтрино - электронные нейтрино (именно они испускаются в происходящих в недрах Солнца процессах ядерных реакций). Достаточно предположить, что на пути от Солнца к Земле значительная часть электронных нейтрино превращается в мюонные, не регистрируемые нейтринными детекторами, чтобы объяснить наблюдаемое расхождение экспериментальных и расчетных данных. Гипотеза эта была всем хороша кроме "одной малости" - она требовала, чтобы нейтрино имели массу, в то время как в рамках фундаментальной конструкции физики элементарных частиц, так называемой Стандартной модели, нейтрино является частицей безмассовой. Такая цена за объяснение наблюдаемой аномалии казалась большинству ученых слишком дорогой, гораздо легче было предположить, что неверна гораздо менее фундаментальная "стандартная модель Солнца".
Однако верным оказалось именно революционное предположение о нейтринных осцилляциях; к настоящему моменту зарегистрированы осцилляции и солнечных нейтрино , и "земных" (реакторных) антинейтрино. И сейчас для физики элементарных частиц настало время отдавать астрофизике долги.
Итак, основным механизмом, за счет которого светится большая часть звезд в течении основного времени своей жизни, является превращение водорода в гелий в процессе термоядерных реакций. Четыре протона могут образовать альфа-частицу различными путями - в процессе протон-протонного и углеродно-азотного циклов. В первом из них сначала синтезируется дейтерий, потом - 3He, в последней реакции взаимодействуют два ядра 3He, в результате чего образуется 3He и два протона (этот вариант завершения протон-протонного цикла наиболее вероятный, но не единственный). В углеродно- азотном цикле реакция начинается со столкновения протона с ядром углерода 12C (при этом образуется радиоактивный изотоп 13N) и заканчивается образованием опять же 12C и 4He при столкновении 15N с протоном. При протекании любой из этих цепочек ядерных реакций происходит испускание нейтрино. Особенно высокоэнергетичные и, следовательно, легче детектируемые нейтрино образуются в одной из побочных ветвей протон-протонного цикла (при бета-распаде 8B).
В рамках принятой сейчас модели Солнца считается, что протон-протонный цикл обеспечивает 98.5 % энерговыделения, а углеродно-азотный - всего 1.5 %. Однако с экспериментальным подтверждением принятой точки зрения на вклад различных циклов дело обстоит не так уж хорошо - основываясь на нейтринных данных, еще в середине 90-х годов прошлого века можно было предположить сценарии, при которых более 99.9 % энерговыделения Солнца обеспечивается углеродно-азотным циклом... И сколь бы хороша и тщательно разработана не была теоретическая модель Солнца, дополнительная экспериментальная проверка никогда не окажется лишней.
Для оценки верхнего предела на долю энергии, выделяющуюся в углеродно-азотном цикле, группа американских и испанских ученых обработала данные по солнечным нейтрино со всех работающих нейтринных детекторов. Ими было показано, что углеродно-азотный цикл обеспечивает не более 7.3 % энерговыделения; таким образом, верхний предел на его возможный "вклад в копилку" был уменьшен более чем на порядок. Однако, по оценкам исследователей, в ближайшие годы довести точность оценки доли углеродно-азотного цикла до "требуемых" 1.5 % будет крайне затруднительно.
Может возникнуть вопрос, а стоит ли биться за копейки, раз доля углеродно-азотного цикла столь мала? Есть два немаловажных довода в пользу таких стараний. В силу большей чувствительности интенсивности реакций азотно-углеродного цикла к температуре и содержанию легких ядер в недрах Солнца, повышение точности позволит получить более точную информацию о внутренностях Солнца. Кроме того, по существующим представлениям хорошо изученный протон-протонный цикл играет основную роль только в энергетике сравнительно маломассивных звезд (с массой порядка массы Солнца и меньше), в то время как менее изученный углеродно- азотный цикл играет основную роль в энергетике более массивных звезд.
