Utolsó Napfelkelte a Földön
Az utolsó napkelte a földön, egy matematikai zseni által megjövendölve
Forrás:Fiona Annand
SZERKESZTVE
A 20. század elejére még mindig nem lehetett tudni, mikor jön el a végső hajnal.
Ausztrália északi részén nyár van, és a Nap sugarai brutálisan lecsapnak az égből. Némi megkönnyebbülés érkezik a sötét és csendes órákban hajnal előtt – boldogan hűvös levegő szivárog be a házba, és megtelepszik alvó testünk körül.
De túl korán egy halvány izzás a horizonton egy újabb nap korai kezdetét jelzi. A terebélyes narancssárga tóból a kemence ismét felemelkedik, melegséggel és fénnyel árasztva el a tájat, miközben újraindul nyugat felé.
De milyen természetű ez a kemence, amely ilyen messziről megvilágítja és felmelegíti Földünket?
És hányszor fog még feltámadni bolygónkon?
A Nap rejtélye
Az ezekre a kérdésekre adott válaszok egy nagy rejtvényt alkottak, még valamivel több mint egy évszázaddal ezelőttig, amelyet csak az 1930-as években oldottak meg teljesen. A modern időkben nyilvánvaló volt, hogy a Nap nem isten, vagy égő szekér vagy csónak, amely az égen utazik, de mi pótolhatja ezeket az ősi elképzeléseket? Még a 19. század tudósai is küszködtek, hogy felfogják, mi lehet a Nap tüzelőanyaga, és meddig tart.
Bár egy ókori görög filozófus azt javasolta, hogy a Nap izzó, olvadt fémből készüljön, a legtöbb ember számára úgy tűnt, hogy a Nap ég. Végül is tüzet tapasztalunk itt a Földön – az oxigénnel kémiai reakcióba lépő tüzelőanyagot, amikor elegendő hő van. Az égés során az atomok közötti kötések megszakadnak és átrendeződnek, új molekulákat hozva létre, és a folyamat során energia szabadul fel.
Amikor azonban a Napot égő objektumnak tekintették (például szén), semmi sem jött össze. A Napból kiáramló energia sebessége (fényessége) körülbelül 3,84 × 10²⁶ watt (joule per másodperc). Ez elképesztően nagy mennyiségű energia, és egy másodperc alatt szabadul fel. Minden egyes másodpercben, minden napban, minden évben. Ez egyenértékű a másodpercenkénti körülbelül 100 milliárd megatonna hidrogénbomba által felszabaduló teljesítménnyel, ha ez segít.
Ezzel az eredménnyel a 19. század közepére kidolgozták, hogy ha a Nap ég, akkor az összes rendelkezésre álló energia csak néhány ezer év alatt fogyna el – még a Biblia számára is túl rövid idő alatt.
A század második felében egy másik mechanizmust javasoltak: talán a Nap zsugorodik? Ez nem volt őrült ötlet – ha a Nap nagyon lassan zsugorodik össze, az emberek nem vették volna észre. A Napot alkotó részecskék gravitációs potenciális energiája hőenergiává alakulna, amikor befelé esnek.
Mivel a Nap tömege olyan hatalmas, csak egy nagyon lassú összehúzódásra lenne szükség a kibocsátott energia pótlásához és a Nap azonos hőmérsékleten tartásához. A Nap élettartama ekkor 25 millió év lehet, ami sokkal ésszerűbb adat!
Sajnos, bár ez nagyon hosszú időnek hangzik, az ötlet is kudarcot vallott, és a geológia volt a hibás. Bár ez a Kelvin-Helmholtz időskála összehúzódása fontossá vált a csillagok asztrofizikája számára, nem lehet Napunk üzemanyagforrása a fő élettartama során.
A geológusok már a 19. század végén kimutatták, hogy a földi kőzetek és kövületek jóval idősebbek 25 millió évnél. A Föld nem is lehetne ősibb a Napnál.
A Napba eső meteoritokat is javasolták energiaforrásként (szintén a gravitációs potenciálenergia révén), de a rejtély a viktoriánus korszakban megoldatlan maradt. A 20. századig kell várni, a világ leghíresebb egyenletének megjelenéséig.
Lépj be Einsteinbe
1905-ben Albert Einstein publikálta egyik híres tudományos munkásságát: az úttörő egyenletét, az E = mc². Ezt a gyönyörűen egyszerű egyenletet a speciális relativitáselméletről szóló munkájában találta meg, és megmutatja, hogy az energia és a tömeg egyenértékű és felcserélhető.
Az egyenletben a „c” a fény sebessége, körülbelül 3 × 108 méter másodpercenként. Négyzetre vetve ez egy nagyon nagy szám lesz, ami azt mutatja, hogy hatalmas mennyiségű energia raktározódik a tömegben. Minden kilogramm közel 10¹7 joule energiának felel meg. (A joule SI mértékegysége 1 kg m²/s².)
A közvélemény az első atombombák ledobása után értette meg ennek az egyenletnek a jelentőségét, de itt volt a válasz a Nap energiaforrására is – az atomok belsejében volt elrejtve.
A csillagokban fenomenális potenciális energiatartalék található. A nukleáris fúzió felszabadítja a tömegenergia egy részét, és bár óriási sebességgel sugárzássá alakul, ez elég hosszú ideig kitart.
Elektronokból és lecsupaszított magokból álló plazma tombol a Nap magjában 15 millió fokos hőmérsékleten. A rendkívüli hőmérséklet és nyomás hatására a könnyebb atommagok összeolvadnak, és nehezebb kémiai elemekké alakulnak. Ez a nukleoszintézis – a varázslatos természet, amellyel új anyagokat hoz létre a régiből.
Tehát nem az atomok közötti kötések megszakadása egy tűzben az, ami napenergiát szolgáltat, hanem az energia felszabadulása az atomok belsejéből . Míg a Napról néha azt mondják, hogy „ég”, ez technikailag helytelen. Ehelyett a Nap egy hatalmas termonukleáris reaktor.
Ahogy a 20. század első néhány évtizedében kidolgozták a magfizika részleteit, úgy alakultak a Nap belsejében zajló folyamatok is. Lent a magban négy hidrogén atommag egyesül egy sor reakció során, és létrehoz egy héliummagot, valamint apró részecskéket, amelyeket pozitronoknak és neutrínóknak neveznek.
Csodával határos módon a hidrogén tömegének 0,7%-a eltűnik. A másodpercenként átalakított 600 millió tonna hidrogénből 4 millió tonna eltűnik!
Ez a hiányzó tömeg nagyon fontos a Föld (és általában az univerzum) számára. A létrejövő fényfotonok (nagy energiájú gamma-sugarak) és más reakciótermékek energiájaként jelenik meg.
A fényfotonok mindegyike nagyon-nagyon lassan halad kifelé a Nap belsejéből, végül eléri azt a magasságot a Nap rétegeiben, ahonnan kijuthat az űrbe. Egy kis töredék kiáramlik a Föld irányába. Ezért ahol a fotonok felszabadulnak, az a Nap szintje, amelyet látunk, és amit csillagunk „felszínének” gondolunk.
Meddig fog sütni a Nap? Valójában Einstein segítségével gyorsan ki tudnánk számítani azt a számot, amely oly sokáig elkerülte a tudósokat. Csak annyit kell megtudnunk, hogy mennyi energia áll rendelkezésre a magfúzióból.
Csináljuk! Fájdalommentes
A durva számításhoz feltételezzük, hogy a csillag 10%-a a mag (ahol a nukleoszintézis megtörténik). A hidrogén a Nap tömegének 70%-át teszi ki, amikor megszületik, és már tudjuk, hogy a hidrogénmagok tömegének 0,7%-a (0,007) alakul át energiává:
Most az Einstein-egyenlet segítségével ezt a tömeget energiává alakítjuk:
Ha elosztjuk a Napban rendelkezésre álló teljes energiát a kibocsátott energia arányával, akkor megkapjuk, hogy mennyi ideig tud ragyogni:
Mivel a wattot (a joule per másodperc kifejezést) használtuk a Nap fényességének leírására, így a Nap élettartamát másodpercekben kaptuk meg. Alakítsuk át valami értelmesebbé az agyunk számára. Körülbelül 3,16 × 10⁷ másodperc van egy évben:
Nos, barátaim, nem lenyűgöző matematika? Az atommagokban végbemenő folyamatok elől évmilliárdokig terjedtünk, ami a világegyetem jelenlegi korának nagy részének felel meg.
De sikerünk van!! Az Einstein-egyenlet azt mondja nekünk, hogy a Nap hidrogénje körülbelül 7,3 milliárd évig (ezermillió évig vagy gigaévig) fennmarad. Ennek a nukleáris időskálának van értelme, mert a Föld, a Hold és a Földre leszálló meteoritok geológiai kora körülbelül 4,5 milliárd év.
Ez a „burok hátulsó része” összeg csak a magban lévő hidrogénfúziót vette figyelembe, és természetesen jó néhány tényezőt figyelmen kívül hagy – például a Nap összetételének, szerkezetének és fényességének alakulását –, de ez nem túlságosan különbözik (viszonylag) az elfogadott 10 milliárd éves értékből.
A Nap 4,6 milliárd éve született.
Ha a hátralévő időt visszaszámoljuk napokra, körülbelül kétmillió napkelte marad, mielőtt a Nap kis fehér törpe maradványává válik.
Lesz-e még Föld, amelyen felkelhet a Nap?
Talán igen, talán nem.
Lehet, hogy bolygónk nem éri meg a Nap utolsó napjait.
Ahogy a részecskék száma csökken a Nap magjában – mivel négy hidrogénből egy hélium lesz –, a mag összezsugorodik és felmelegszik.
Változások sorozata indul el, a hélium végül szénné egyesül.
Amikor a Nap belép az utolsó vörös óriásfázisba, rétegei kifelé duzzadnak nagyjából a Föld pályájára.
Még ha bolygónk sziklája túléli is a felszínén csapódó pokoljárást, a vibráló Édenkert nem lesz többé.
Az óceánok is rég eltűntek.
Az az energia, amely életet adott a Földnek, amely lehetővé tette mindannyiunk születését, majd kioltja az egész életet.
A Föld megfeketedett, elszenesedett maradványai fölött még mindig egy szörnyű vörös csillag emelkedik, de nem marad ember vagy állat, aki üdvözölné.
Vagy talán a Föld teste nem éli túl az égetést, és bolygónk részecskéi a Nap felduzzadt külső rétegeibe kerülnek.
Ennek ellenére a naprendszerben távolabbi éghajlat ekkorra már kellemes lehet, új lakható zóna jön létre.
Lehet, hogy a mai ember leszármazottai a Ganymedes vagy a Triton holdakon, vagy az óriásbolygók közelében lévő forgó űrállomásokon élnek majd, és odakint új otthonukból nézik majd a megmaradt napfelkeltét.
Megjegyzések
Megjegyzés küldése