Skąd wiadomo ile lat liczy Słońce?

Preludium

Ludzkość od zarania swojej historii spoglądała z nadzieją, wiarą i trwogą w niezmienne, jak i nieprzewidywalne dla niej ruchy mikrych światełek na niebie, które do dziś, nawet w dobie powszechnego zanieczyszczenia światłem naszego nieboskłonu fascynują tak wielu. Dlaczego tak chętnie spoglądaliśmy, jako ludzie, w to, czego nie rozumieliśmy? Dlaczego próbowaliśmy zrozumieć?

W czasach gdy nie istniał Internet, radio i telewizja, niebo nad nami było swoistym oknem na Świat. Każdy w dawnych czasach po zmroku mógł cieszyć się widokiem, który dziś jest rzadkością. W ruchach ciał niebieskich odnajdowaliśmy regularności, które miały wszak i bardzo praktyczny wymiar. Terminy zasiewów, zbiorów i wylewów świętego Nilu to tylko pierwszy przykład z brzegu. Astronomia nieprzypadkowo jest najstarszą nauką, a współcześnie rozumiana metodologia nauki z pokorą musi odnieść się do żmudnych, czasochłonnych i wiekami prowadzonych obserwacji. Nieprzypadkowo to astronomia była swoistym motorem rozwoju królowej nauk, matematyki. Sumeryjski pozycyjny system liczbowy o podstawie 60, który zapożyczyli Babilończycy do dziś pobrzmiewa w naszej kulturze. Godzina liczy 60 minut, minuta – 60 sekund, a kąt pełny to 360 stopni.

Interludium

Historia nauki, w szczególności astronomii, to bardzo interesująca dziedzina, dokonajmy jednak skrótu perspektywicznego. Sporo czasu zajęło nam odkrycie, że to jednak Ziemia krąży wokół Słońca, a przyczyny tak długiego czasu na owo odkrycie były różnorakie. Pojęliśmy jakie rozmiary ma Słońce, jaką ma masę i skład chemiczny, a co ważniejsze, zmierzyliśmy to. Zrozumieliśmy, że nikłe światełka na nieboskłonie to w większości obiekty, które są podobne Słońcu. Niedaleka stąd droga do pytania o to, jaki wiek ma Słońce i gwiazdy. Ponownie dokonując pewnego skrótu perspektywicznego zatrzymajmy się przed myślą lorda Kelvina i von Helmholtza. Trudno dziwić się, że Baron Kelvin jako zapalony kreacjonista przyjął, że Słońce "zwyczajnie stygnie". Myśl pozostałaby nie tylko ciekawą i wybitną, ale i zdecydowanie brzemienną w skutkach, gdyby nie pewien szkopuł. Jaki wiek mogło mieć Słońce przy tym założeniu? Nietrudno było prostym rachunkiem wykazać, co Helmholtz uczynił, że nie więcej niż kilka dziesiątków milionów lat. Wobec twierdzeń geologów dotyczących wieku Ziemi szacowanego na miliardy lat wydawało się to jednak oczywistą sprzecznością. Nasi bohaterowie gładko postarali się wybrnąć z sytuacji twierdząc, że geologia się myli. Geolodzy jednak się nie pomylili… Wcześniejszych teorii dotyczących generowania energii w Słońcu na drodze procesów chemicznych nie warto wspominać, gdyż taki mechanizm pozwoliłby Słońcu przetrwać jedynie tysiące lat.

Myśl Kelvina i Helmholtza nie przeszła jednak do historii nauki jako jedynie ciekawostka. Dziś doskonale wiemy, że gwiazdy ewoluując przechodzą w swoim życiu krótsze i dłuższe okresy, w których świecą dzięki mechanizmowi Kelvina-Helmholtza:
https://pl.wikipedia...vina-Helmholtza

W szczególności, mechanizm ten odpowiada za nadwyżkę promieniowania planet, przykładowo dobrze zmierzoną nadwyżkę energii emitowanej przez Jowisza w zestawieniu z energią uzyskiwaną ze Słońca; Jowisz kurczy się w tempie 2 cm rocznie. Skoro jednak Kelvin i Helmholtz pomylili się w kontekście wieku Słońca, to co było dalej?

Trudno krytykować Kelvina, skoro potrzebna do zrozumienia problemu fizyka właściwie nie istniała. Einstein, Eddington, Bethe i Critchfield to była jeszcze pieśń przyszłości, choć może nie tak odległa, gdyż wystarczyło parę dziesiątków lat by zrozumieć, jak potężną energią jest materia sama w sobie. W tym czasie nie tworzyliśmy już trywialnych modeli budowy wewnętrznej Słońca, a dokonywaliśmy całkiem przyzwoitych oszacowań i konstruowaliśmy proste zapewne – z dzisiejszego punktu widzenia – modele. Doskonale wiedzieliśmy, jakich warunków fizycznych można spodziewać się we wnętrzu Słońca i co ważniejsze, zrozumieliśmy fizykę jądrową w zakresie wystarczającym do tego, by mówić o wieku Słońca. Zaczął się złoty wiek dla tych, którzy lubili liczyć, choć bez komputerów końca lat 40. zapewne byłoby ciężko. Obliczenia zaskakiwały samych liczących. Okazywało się, że przez miliardy lat gwiazdy zmieniają się bardzo powoli, by nagle, w mgnieniu oka w tej skali zmieniać się radykalnie. Proste schematy stałego kroku czasowego trzeba było znacząco modyfikować. Cóż zatem liczono, czym jest ewolucja?

Przyjmijmy rozsądnie, że gwiazda powstaje w jednorodnym chemicznie obłoku. Zapada się, zapada, a Kelvin i Helmholtz radośnie uśmiechają się zza światów. We wnętrzu robi się coraz cieplej i cieplej, aż w końcu mamy warunki, w których zaczynają spontanicznie na dużą skalę zachodzić reakcje jądrowe. Gwiazda osiada na ciągu głównym wieku zero. Dalej jest mało ciekawie, bo we wnętrzu wodór zamieniany jest w hel, a energia transportowana jest na zewnątrz. Trwa to zwykle, przynajmniej dla gwiazd małomasywnych, nieprzyzwoicie długo. Zmieniają się nieco w tej swojej ewolucji nasze gwiazdy poprzez zmianę średnicy i temperatury efektywnej. Jak to liczymy? Nieprzyzwoicie długie programy komputerowe, które uwzględniają parę równań/ założeń fizycznych. Gwiazda jest stabilna, wiemy (zakładamy) z jakiej materii się składa (równanie stanu), wiemy w jaki sposób generowana jest energia i w jaki sposób transportowana jest wyżej, by być ostatecznie wyświeconą.

Postludium

Na koniec pozostaje odpowiedź na pytanie tytułowe: ile lat liczy sobie Słońce? Tyle, ile wynika z naszych najlepszych modeli, czyli ok. 4,5 miliarda lat. Czy modele te mogą być błędne? Zapewne tak, jak wszystko w fizyce. Fundamenty fizyczne tych modeli, jak i same ich przewidywania przeszły tysiące prób konfrontacji z rzeczywistością, czyli obserwacjami, ale jest to zapewne temat na osobny i znacznie obszerniejszy artykuł.

Słońce wiek