El sorprenent Sol

Tenim tan assimilada l’existència del Sol que gairebé ni ens adonem que està allà. Encara que sembli petit quan ho mirem, el seu diàmetre és unes 100 vegades el de la Terra. Com el volum és proporcional al cub del diàmetre, podem deduir que el Sol és un milió de vegades més gran que la Terra. En altres paraules, que hi caben un milió de Terres dintre del Sol. Avui us parlaré una mica del nostre astre rei, ja que existim gràcies a ell.
[@more@]
La seva massa és unes 300.000 vegades la del nostre planeta. La seva densitat, per tant, és al voltant de 1,5 vegades la de l’aigua. No obstant això, és un valor mig: les capes del Sol estan composades per tènues làmines de gas, densitat del qual, pressió i temperatura creixen dramàticament segons ens desplacem a l’interior.

El nostre Sol irradia energia en forma de calor. El problema és saber quanta. En el segle XVIII, William Herschel va observar que la calor del Sol al migdia podia fondre una capa de gel de 3 centímetres d’espessor en 3 hores i 12 minuts. Amb aquesta simple observació i fent la molt raonable hipòtesi que el Sol emet amb igual potència en totes direccions podem deduïr que també fondria una coberta de 300 milions de quilòmetres de diàmetre i amb un espessor de gel de 3 centímetres seria fosa en el mateix temps. El professor C.A. Young de la Universitat de Pricenton solia demanar als seus alumnes que calculessin la temperatura de la superfície del Sol a partir d’aquestes dades. El resultat és d’uns 6000 ºC.

Aquesta temperatura no hauria de sorprendre’ns: el filament candent d’una bombeta ronda els 2000 ºC. El que sí sorprèn és el temps que ha estat a aquesta temperatura. Ha estat un dels debats més interessants en la història de la ciència del segle XIX. Es parlava d’ordres de milers, de milions i de milers de milions d’anys.

En 1904 ja se sabia que la desintegració de l’urani conduïx al radi fins a arribar finalment al plom i que es feia amb una velocitat molt determinada. Això volia dir que a partir de les determinacions de les concentracions d’urani-radi-plom que hagués en les roques se’ls podia associar una edat. Van posar som-hi i els resultats van ser sorprenents: havia roques que oscil·laven entre els 400 i 2.000 milions d’anys. En aquelles èpoques no havia lleis de la física que expliquessin que el nostre Sol pogués haver estat tant temps tan calent.

Cap a 1921 va haver un debat en l’Associació Britànica per a l’Avanç de la Ciència. Van anar geòlogos, botànics, zoòlegs i físics. Van concloure que la Terra havia de tenir una edat xifrada en milers de milions d’anys. Posteriorment, alguns càlculs més refinats han donat una edat de 3.800 milions d’anys, però també s’han mesurat les edats d’alguns meteorits i tenen una antiguitat de 4.500 milions d’anys. Avui acceptem que el Sistema Solar, inclosos el Sol i la Terra, es van formar fa aproximadament 4.500 milions d’anys.

Però tornem a quan això no se sabia. Uns quants científics van començar a mostrar una seriosa preocupació perquè era impossible. Si el Sol estigués fet de bencina i la combustió fos lo més eficaç possible podria mantenir aquesta producció d’energia només durant unes quantes desenes de milers d’anys. En realitat, cap font química coneguda podria mantenir calent el Sol més enllà de 100.000 anys. El raonament de Lord Kelvin era que el Sol, en contreure’s sota el seu propi pes, emetria energia. La pregunta era quant temps podria estar fent-lo al ritme actual. La resposta era 20 milions d’anys, i la velocitat de contracció seria a raó de 50 metres a l’any: massa lenta com perquè en el segle XIX poguessin detectar-la. Tanmateix, això quedava molt lluny dels milers de milions d’anys requerits pels geòlegs (20 milions contra milers de milions és com 20 contra 1000). Podia ser el Sol més jove que la Terra? Ja podeu imaginar el debat del que alguna cosa us vaig explicar.

Hem vist que el Sol genera molta energia, però cal tenir cura ja que no és que sigui gran: és descomunal. George Gamow es preguntava que si una cafetera produís calor a la mateixa velocitat que el Sol en funció a la seva masa, quant temps trigaria a bullir l’aigua. Doncs bé, encara que la cafetera estigués perfectament aïllada, trigaria mesos. Això és perquè, encara que el Sol produïx molta calor, si calculem per, gram de massa de mitjana és de 4,4*10-8 calories per segon. És una velocitat de producció de calor més petita fins i tot que la qual els nostres cossos alliberen mitjançant els processos químics del metabolisme.

D’on surt tota aquesta energia? En 1905 va quedar establert per l’Albert Einstein que: Si un cos desprèn una certa quantitat d’energia L en forma de radiació, la seva massa baixa en una quantitat de L/c2. La L es refereix a Lluminositat, que és en realitat la potència emesa per un cos celeste en totes direccions, encara que aquí l’hagi utilitzat com energia.

Francis Aston va desenvolupar un instrument anomenat espectrògraf de masses que podia utilitzar-se per a determinar la massa d’un àtom particular. El seu primer aparell va entrar en funcionament en 1919 i un dels primers descobriments que va realitzar amb ell va ser que l’àtom d’heli és un 0,8% inferior a la massa de quatre àtoms d’hidrogen. El tot era més petit que la suma de les parts.

Recordo que això succeïx encara que no hagi reaccions nuclears. Per exemple, l’equivalent en massa de la radiació emesa per una bombeta és d’una *billonésima de gram per segon. El problema és que és impossible detectar una pèrdua de massa tan petita.

En transformar hidrògen en heli, l’astre rei irradia una quantitat d’energia equivalent a la pèrdua de 4 milions de tones de matèria per segon. No us preocupeu, que no ens quedarem sense ell. Si ha estat així durant els últims 4.500 milions d’anys, la quantitat total de massa perduda pel Sol representaria només 5 mil·lèsimes de la quantitat inicial de massa.

D’altra banda, el Sol no sempre ha lluït igual. Des del seu origen fins a avui, la seva lluentor ha augmentat en un 40%. Dintre de 1.500 milions d’anys, quan tingui una edat de 6.000 milions d’anys, serà un 15% més brillant. Si fora així ara, el clima de Noruega seria semblant al que ara té el nord d’Àfrica.

Altre problema històric sobre la naturalesa del Sol ha estat la seva composició. Anaxàgoras pensava que era una bola de ferro candent. Albert Unsold va demostrar, mitjançant proves espectroscòpiques, que l’hidrogen no només era l’element més abundant a l’atmosfera del Sol, sinó que la seva concentració era de l’ordre d’un milió de vegades superior a la de qualsevol altre element. Amb tècniques espectroscòpiques totalment diferents William McCrea ho va confirmar un any més tard.

El cor del Sol, el seu "nucli" és el lloc on es donen les reaccions de fusió nuclear. Ocupa només una quarta part des del centre i representa tan sols el 1,5% del seu volum. En aquesta regió els àtoms es mouen amb tal rapidesa que els electrons són trets d’aquests àtoms i els nuclis que queden lliures s’empaqueten fins a arribar a una densitat 12 vegades superior a la del plom sòlid. Tanmateix, es comporten com un gas perfecte.

La meitat de la massa del Sol es concentra en el nucli intern. Els models astrofísics estàndard ens diuen que en l’interior la temperatura arriba als 15 milions de Kelvin (a la vora del nucli és d’uns 13 milions de Kelvin) i la pressió, com ja s’ha dit, és 300.000 milions de vegades superior a la que tenim en la superfície de la Terra. En aquestes condicions tan fora del nostre abast intuïtiu un fotó només pot desplaçar-se una fracció de centímetre abans de xocar contra una partícula carregada.

Vegem, els fotons es desplacen a la velocitat de la llum, però quan són absorbits per un ió, ho deixen excitat. En desexcitar-se emeten l’energia en forma d’altre fotó però pot ser en una direcció i sentit aleatoris, de manera que aquests fotons no es desplacen en línia recta, sinó que van fent zigzags. Si un fotó pogués anar lliurement cap a la superfície trigaria uns 2,5 segons a arribar a la mateixa, però amb aquestes condicions extremes els fotons van xocant i xocant de manera que triguen ni més ni menys que 10 milions d’anys a fer el camí fins a la superfície. Com durant tot aquest temps han anat a la velocitat de la llum, podem dir que els fotons han recorregut 10 milions d’anys llum de distància abans de sortir del Sol.

No sé si us feu una idea del que vol aquesta distància: és cinc vegades més gran de la que hi ha des d’aquí fins a Andròmeda. L’energia que esteu rebent del Sol en aquest moment, es va generar fa 10 milions d’anys. Curiós, oi?

Segons ens anem allunyant del centre cap a la superfície, la temperatura del plasma va baixant. A la meitat de distància entre el centre i la superfície, la densitat és com la de l’aigua i una mica més enllà, a dos terços del camí, és com la de l’aire que respirem. Hi ha un moment que les condicions són tals que els electrons tornen a adherir-se els nuclis. Els fotons que arriben són absorbits i tot just emesos, de manera que els àtoms s’escalfen.

Aquesta vegada, per a desfer-se de l’excés d’energia, l’estrella utilitza la convecció: bombolles de material calent pugen cap a la superfície igual a com ho fa l’aigua en una olla que hem posat a escalfar. Aquesta zona convectiva, té quelcom així com el 15% del radi del Sol, des d’una profunditat de 150.000 km fins a la superfície. Aquesta distància és una mica més petita que la meitat de la que hi ha entre la Terra i la Lluna.

Finalment, arriba la part visible, una prima capa anomenada fotosfera que té una temperatura de uns 6000ºC. La pressió és una sisena part de l’atmosfèrica i la densitat menys d’una milionèsima de la de l’aigua. Aquí ja no hi ha res que detingui als fotons que fluïxen cap a l’exterior. La llum que veiem no és més que la del 0,5% del ràdi del Sol.

Us he explicat moltes coses i no us he dit una de les més sorprenents: el Sol crema per efecte túnel. Però hem de deixar-lo per a altres històries.

Bones Festes a tothom.

 
Fuente:
"Cegados por la luz", John Gribbin

Quant a omalaled

Me llamo Fernando y soy un apasionado de la ciencia y admirador de los científicos y ténicos de todas las épocas. Espero disfrutéis sabiendo un poquito más de ellos.
Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

4 respostes a El sorprenent Sol

  1. Joan diu:

    La frase final és demolidora, les coses que has estat explicant vulguis o no em sonaven d’haver-les llegit o sentit en un lloc o altre. De generar intriga ja en saps, eh. Ara a esperar la continuació.

    Bones festes.

    PS: En Gribbin és polifacètic!! Gràcies per haver-me’l descobert 🙂

  2. omalaled diu:

    Home, la intriga és important… si ho fan els programes del cor, per què no un blog de ciència? 🙂

    I en Gribbin es un molt bon divulgador. Qualsevol llibre d’ell és sempre recomanable.

    Salut! i bones festes.

  3. dGil diu:

    Molt interessant. Haurem d’esperar el següent arcticle per la continuació 😀

  4. omalaled diu:

    Aviat, amic 🙂

    Salut!

Els comentaris estan tancats.