Sol invictus

„Soarele, cu toate planetele care se rotesc în jurul său și care depind de el, poate să rumenească și un ciorchine de struguri de parcă nu ar avea altceva de făcut în univers.” – Galileo Galilei

 Complet neremarcabil

Te-ai întrebat vreodată cum ar fi să locuiești pe o planetă care să fie la doar 149,6 milioane de Km de o stea de mărime medie, cum e Tau Ceti? Partea proastă e că este destul de departe de noi (12 ani-lumină), deci clar nu poți ajunge la ea cu una, cu două. Partea bună e că dacă într-adevăr vrei să vezi cum e, este de ajuns să ieși afară. Asta pentru că Soarele este el însuși o astfel de stea, aflat la doar 8 minute de condus (dacă mergi cu viteza luminii). Yeeeee! Nici nu mai e nevoie să părăsești Sistemul Solar. Sau Pământul, pentru că planeta noastră se află fix la 149,6 milioane de Km de Soare.

Ca stea, Soarele nu este remarcabil. Adică există în Univers stele hipergigante precum VY Canis Majoris care sunt cu mult mai mari decât Soarele nostru și mai interesante, iar asta este o subestimare cruntă. De fapt, cuvintele nu pot descrie cât de mare e pe lângă steaua noastră mediocră, așa că cel mai bine te uiți la ilustrația de alături. Nu uita să închizi gura, după.

Acuma, să nu ne lăsăm orbiți de astfel de artificii precum mărimea unei stele. Oricât de “meh” ar fi Soarele nostru, primul lucru pe care o să îl observi dacă ieși afară (cel puțin la data de 13 septembrie 2016, când am scris postarea asta) e că dă foarte multă lumină și căldură, fix de ce a avut nevoie viața ca să apară și să evolueze în stadiul în care se află în ziua de azi (mai multe despre asta într-o postare viitoare, cred). Aparent, oricât de mediocră și banală ar fi steaua noastră, a fost dintotdeauna capabilă să realizeze lucruri mărețe. [Cred că e și un mesaj înălțător și motivant pe aici pe undeva.] 

“Arde, uite cum arde!”

Una din cele mai întâlnite întrebări de pe Internet apropo de Soare este “de câtă apă este nevoie ca să îl stingi?”. Întrebarea e distractivă și chiar pare rezonabilă, adică Soarele e ditamai bila uriașă de foc care arde și arde. Nu? Dar până să vedem de câtă apă e nevoie cu adevărat, trebuie să vedem exact cum ne dă Soarele căldură și lumină.

În trecut oamenii stăteau în zilele senine, uitându-se pe cer pe lângă Soare (că doar nu erau tâmpiți să se uite direct la el) întrebându-se probabil: de unde până unde atâta focul pe Soare de ne ține în viață? Abia în prima jumătate a secolului al XIX-lea am dat de un răspuns satisfăcător care să nu fie datul din umeri: în momentul în care fizicienii au descoperit că acesta este alcătuit din atomi de hidrogen și heliu (de fapt plasmă, adică atomii respectivi nu au electroni, ci doar nucleoni: protoni și neutroni). Oare ce reacții aveau loc în el?

Soarele este super fierbinte, are vreo 5.504°C (5.777 K) la suprafață și 15.000.000°C în centru. Asta înseamnă că (din câte ai învățat din postarea Au venit căldurile) atomii de hidrogen și heliu din el umblă ca bezmeticii, se mișcă foarte rapid și se zgâlțâie violent. Având în vedere că se mișcă atât de rapid și violent, aceștia clar au energie cinetică foarte multă (am vorbit despre energia cinetică în postarea Să pui Lumea în mișcare) și cum oricum sunt trilioane de trilioane de astfel de atomi în Soare, garantat se ciocnesc câțiva între ei, moment în care se întâmplă ceva foarte interesant.

Imaginează-ți următorul scenariu: dacă iei două cinele de orchestră și cânți (mă rog…) cu ele, adică le ciocnești unul de celălalt, o să vezi că ele nu stau degeaba. În momentul în care se ciocnesc, o parte din energia cinetică a acestora (energia care le face să se miște) se transformă în energie sonoră. 

Acuma gândește-te la doi atomi de hidrogen care se ciocnesc cu o viteză extraordinară în interiorul Soarelui: aceștia se ciocnesc, iar în momentul ăla emit energie. Energia asta nu e sonoră (firește), ci luminoasă și alte tipuri de radiație care apoi ies din Soare și radiază către Pământ. Ca fapt divers, energia produsă de ciocnirea dintre doi atomi de hidrogen (sau de heliu, sau de hidrogen cu heliu) nu iese imediat din Soare, pentru că ea continuă să se lovească de tot felul de chestii pe acolo și se estimează că reușește să iasă la suprafață abia la 1 milion de ani după ce a fost produsă. Firește, doi atomi care se lovesc între ei, ajung să se respingă, rezultând o reacție în lanț.

Dar atomii care se ciocnesc nu se resping tot timpul. Se întâmplă destul de des ca, de exemplu, doi atomi de hidrogen să circule cu atâta viteză și să se izbească unul de celălalt atât de violent încât înving forța electromagnetică (aia care respinge protonii sau neutronii dintr-un atom și nu le permite să se apropie) și permit forței nucleare tari să îi prindă unul de celălalt. În momentul ăla ei încetează să mai fie doi atomi de hidrogen, ci un cu totul alt element.

Uite un exemplu concret: un atom de deuteriu (H cu un proton și un neutron) se ciocnește cu un atom de tritiu (H cu un proton și doi neutroni), iar din fuziunea asta rezultă un atom de heliu (He) + un neutron + energie pură.

Bine, fuziunea asta dintre atomii de hidrogen se întâmplă în stelele la fel de mici ca Soarele, că în altele mai mari (cu temperaturi mult mai ridicate) fuziunea are loc între atomi de hidrogen, azot și carbon, de exemplu. Depinde mult de temperatură și de presiunea din interior.

Acum că ai citit toată chestia asta, a venit momentul să înțelegi că deși spunem în limbaj popular că Soarele arde, în realitate nici vorbă de așa ceva. Soarele nu a luat foc, adică lumina și căldura nu provin din procese chimice de oxidare, ci dintr-o reacție nucleară numită fuziune nucleară. Dacă în fisiunea nucleară (de care am vorbit acum două dăți în Curiozitatea nucleară) este vorba de un atom masiv care eliberează energie scindându-se în doi atomi mai ușori, aici e vorba fix de opusul: doi atomi mai ușori eliberează energie ciocnindu-se și formând un atom mai masiv (mai “greu”, dacă vrei). Soarele este, în realitate, nu un foc de tabără imens, ci o uriașă centrală nucleară.

De câtă apă ai avea nevoie ca să stingi Soarele? Dacă la început te-ai gândit “pffffoarte multă!”, acum e cazul să te răzgândești. Știm că apa e compusă din doi atomi de hidrogen și un atom de oxigen, da? Ei bine, dacă ai arunca (destulă) apă în Soare, nu numai că nu l-ai stinge, ba chiar l-ai “întărâta”.

Asta pentru că în momentul în care moleculele de apă ar intra în contact cu atomii violenți din Soare, ăștia din urmă (nervoși fiind) s-ar îmbrânci atât de mult în acele molecule încât ar începe să le enerveze și pe ele. Moleculele de apă ar începe și ele să se agite (practic, crește temperatura apei) și ar rupe legăturile dintre atomii de hidrogen și oxigen, care ar începe să zburde cu la fel de multă viteză prin interiorul Soarelui.

Astfel, răspunsul fascinant e că apa nu numai că n-ar stinge Soarele, ci chiar ar fi combustibil pentru acesta! S-ar comporta ca o găleată cu benzină aruncată peste un foc de tabără.

 Precum în cer, așa și pe Pământ.

Spuneam mai sus că Soarele (orice stea, practic) este o centrală nucleară uriașă. Problema este că ea este mai instabilă decât o centrală nucleară creată de om (zic eu, dar poate mă înșel): pe tot parcursul vieții ei, în timp ce își folosește combustibilul, în stea se duce o luptă aprigă între presiune și gravitație. Gazele din interiorul stelei au o anumită presiune care încearcă să împingă toate straturile ei în afară.

În același timp, fiind un obiect foarte masiv, gravitația acesteia atrage toate straturile ei către centru. De-a lungul vieții, steaua se află în echilibru: cele două forțe din interiorul său se anulează, iar noi putem ieși liniștiți prin Herăstrău să ne dăm cu trotineta sau rolele.

Apropo de fuziunea nucleară, pentru ca ea să aibă loc, are nevoie de temperaturi de milioane de grade Celsius. Fix ca într-o stea! De aceea, pe Pământ ne este destul de greu să recreem ce se întâmplă în stele și să facem ceea ce se numește “hot” fusion (fuziune la cald), asta pentru că centralele nucleare care se ocupă cu acest proces nu sunt foarte viabile din punct de vedere practic și nici energetic (în momentul de față e nevoie de mai multă energie să pornești și să întreții o reacție de fuziune nucleară decât cea pe care o produce acest proces).

Dar oamenii de știință încearcă să realizeze fuziunea la rece (“cold” fusion), adică fuziune nucleară la temperatura camerei. În momentul de față nu a reușit nimeni să producă acest tip de fuziune nucleară (deși au fost niscai alarme false) pentru că e foarte greu (atomii se mișcă prea încet ca să se ciocnească destul de violent încât să învingă forța electromagnetică), dar rămâne unul din țelurile fizicienilor. De ce? Pentru că fuziunea nucleară produce mult mai multă energie decât fisiunea nucleară. Dar în momentul de față e un doar un basm.