Сколько лет Солнцу?

Считается, что Солнце сформировалось примерно 4,5 миллиарда лет назад. Звезда такой массы, как Солнце, должна существовать на главной последовательности в общей сложности примерно 10 млрд лет. Таким образом, сейчас Солнце находится примерно в середине своего жизненного цикла. Но как мы об этом узнали? 

Вопрос о возрасте и «продолжительности жизни» Солнца стал следствием вопроса о том, что является источником энергии нашей звезды. Первоначально предполагалось, что Солнце светит за счет тепла, выделяющегося при падении на него комет и метеоритов. Но в этом случае получалось, что для обеспечения наблюдаемой светимости Солнца на него ежегодно должно была падать масса вещества, равная массе Луны. Это привело бы к удвоению массы нашего светила за 30 миллионов лет. А возраст Земли, а значит и Солнца, по геологическим данным оценивался в несколько миллиардов лет. Таким образом, эта гипотеза была отвергнута, хотя теперь мы знаем, что именно за счет падения межзвездного вещества набирают свою массу молодые звезды. 

Другой гипотезой об источнике солнечного тепла и света было предположение о медленном сжатии Солнца и, как следствие, его нагреве. Расчеты показали, что Солнцу надо «уменьшаться» всего на 90 м в год, чтобы светить так же ярко как сейчас в течение 30 миллионов лет. Тот факт, что, по мнению геологов, возраст Солнца не менее 3 миллиардов лет, не принимали во внимание. Однако, развитие радиоизотопного метода в начале ХХ века позволило надежно установить, что возраст Земли, а значит и Солнца, несколько миллиардов лет. Впрочем, выделение тепла за счет гравитационного сжатия все-таки играет важную роль в образовании звезд из межзвездного газа на ранних этапах формирования. 

Более точно возраст Солнца можно было бы оценить сравнивая содержание водорода и гелия в ядре Солнца и его внешней оболочке. Но это соотношение оценивается очень приблизительно и определяет возраст Солнца в 4.5 миллиардов лет. Это согласуется с возрастом Солнечной Системы, хотя не исключено, что Солнце на 1-2 миллиарда лет старше. 

Данные о «продолжительности жизни» Солнца, приведенные в начале этой истории, взяты из справочной литературы и основаны на так называемой Стандартной Солнечной Модели. Эта модель возникла в 30-е годы ХХ столетия благодаря работам Ханса Бете (1916-2005).

Согласно ей, источником энергии Солнца (и других звезд) является реакция превращения четырех ядер водорода 1H в ядро гелия 4He (протон-протонная реакция), которая происходит в несколько этапов (как показано на рисунке) и при которой выделяется энергия около 4х10^-12 Дж. Если теперь вспомнить, что светимость Солнца составляет 4х10^26 Вт, то получится, что каждую секунду в недрах нашего светила рождается 10^38 ядер гелия 4He и погибает 4x10^38 ядер водорода. 

Далее, мы знаем массу Солнца – 1.99х10^30 кг и массу ядра водорода (протона) – 1.67х10^-27 кг, значит, можем определить сколько ядер водорода в Солнце: примерно 10^57 ядер 1H.

Теперь, учитывая, что в протон-протонной реакции участвуют не все ядра водорода, а только примерно 10%, которые находятся в центральной части Солнца, можно сосчитать за какое время они сгорят. Получится около 2.5х10^17 секунд или почти 10 миллиардов лет.