Одна из лучших визуализаций спектра света нашего великолепного Солнца, из когда-либо созданных, вскрывает загадочные пробелы в его цветовой гамме.
Большинство из тысяч тёмных линий Фраунгофера в солнечной радуге учёные соотнесли с различными элементами в атмосфере Солнца, поглощающими свет с определённой длиной волны.
Но даже после десятилетий наблюдений при помощи солнечной спектроскопии высокого разрешения мы видим некоторые спектральные линии, происхождение которых так и не было чётко определено. И это не из-за недостатка попыток – просто наше Солнце – своенравная и коварная бестия, секреты которой удивительно трудно раскрыть.
Хотя наше Солнце вроде бы светит белым светом, детали его полного спектра гораздо сложнее. На изображении ниже показан полный солнечный спектр, составленный на основе наблюдений, полученных в Национальной солнечной обсерватории США на Китт-Пике в 1980-х годах.
В спектре есть несколько примечательных моментов. Один из них, который можно заметить сразу, — это то, что свет наиболее яркий в жёлто-зелёной части спектра, хотя лучи Солнца в небе кажутся совершенно бесцветными (но, пожалуйста, не выходите на улицу и не смотрите на него без защиты для глаз).
Ещё одной очевидной особенностью является наличие тёмных пятен. Это линии Фраунгофера, названные в честь немецкого физика Йозефа фон Фраунгофера, который описал их в 1814 году. Мы знаем о них уже более 200 лет, и их механизм довольно хорошо изучен.
Это линии поглощения, и подобные особенности можно увидеть на каждой звезде и у каждой галактики, для которых мы можем получить спектры. Они вызваны поглощением фотонов этой длины волны атомами и молекулами в солнечной атмосфере. Разные элементы поглощают разные длины волн света; определённый паттерн линий поглощения может служить своеобразным «отпечатком пальца» для этого элемента.
Это хитрый способ выяснить, какие элементы присутствуют в звезде, галактике или даже в атмосфере планеты, но это гораздо сложнее, чем кажется, особенно если нам видно несколько «отпечатков пальцев», которые перекрывают друг друга.
Тем не менее, большинство линий Фраунгофера были идентифицированы, и именно так мы узнали, что Солнце — как и все звёзды, состоит преимущественно из водорода и гелия, а также содержит ряд элементов, таких как кислород, натрий, кальций и даже следы ртути.
И это не просто праздная любознательность. Когда Вселенная родилась, она состояла почти полностью из водорода и небольшого количества гелия. На самом деле так и есть до сих пор, но в несколько меньшей степени, потому что после своего рождения звёзды начали сжимать атомы в своих ядрах, создавая более тяжёлые элементы путём ядерного синтеза. Затем, когда эти звёзды умерли, они разбросали эти более тяжёлые элементы по космосу; кроме того, эти их мощные взрывы создали ещё более тяжёлые элементы.
Последующие поколения звёзд впитали эти материалы в себя. Количество и расположение в звезде элементов тяжелее гелия — это параметры, с помощью которых учёные могут рассчитать возраст этой звезды. И это очень удобно.
Поскольку Солнце является ближайшей к нам звездой, мы располагаем наиболее подробными спектральными данными именно о ней.
Несмотря на всё это богатство данных, сотни наблюдаемых характеристик поглощения никак не сходятся с химией, которая их создала, и остаются несовместимыми с синтетическими спектрами — набором характеристик поглощения, сгенерированных путём моделирования синтетического Солнца на основе его температуры, гравитации, структуры атмосферы и других характеристик.
Для этого есть несколько причин, описанных в статье 2017 года, исследующей конкретный набор отсутствующих линий.
Возможно, самым главным фактором, влияющим на эту загадку, является то, что текущие базы данных атомных и молекулярных линий, хотя и обширны, но далеко не полны. Определение спектрального отпечатка конкретного атома или молекулы часто требует тестирования и проверки, а некоторые группы, такие как группа железа, являются особенно сложными.
Но и само Солнце также является частью проблемы, со своей динамичной и изменчивой атмосферой, в которой доминируют конвекция и резко меняющиеся магнитные поля, которые могут мешать появлению признаков поглощения.
Результатом всего этого является набор загадочных линий в солнечном спектре на длинах волн, которые не совпадают с синтетическими спектрами и которые не получается отнести к какому-либо известному атомному или молекулярному поглощению.
Занятно, что даже после столетий исследований ближайшая к Земле звезда хранит в себе такие сложные загадки, которые нам ещё предстоит разгадать — загадки, которые на первый взгляд кажутся более простыми, чем они есть на самом деле.
Хорошая новость заключается в том, что с каждым днём мы всё ближе к нахождению ответов. Лучшие инструменты, растущие базы данных спектральных линий и усовершенствованные атмосферные модели Солнца — всё это способствует прогрессу. И каждое несовпадение между реальным и синтетическим спектрами — это подсказка, которая говорит нам, как мы можем улучшить наши модели.
В то же время, мы, вероятно, никогда не закончим изучение нашего Солнца. И это тоже замечательно.
