Восемь минут двадцать секунд: сколько на самом деле идёт солнечный луч
От Солнца до Земли свет идёт 8 минут 20 секунд. Но это только последний отрезок пути. Энергия, которая прогревает лицо в солнечный день, вышла из ядра Солнца порядка сотни тысяч лет назад — и почти весь этот срок она выбиралась наружу сквозь толщу самой звезды.
Восемь минут — это финиш. Основная дистанция пройдена внутри.
Откуда берутся эти восемь минут
Среднее расстояние от Земли до Солнца — 149 597 870,7 километра, эта величина принята за астрономическую единицу. Скорость света в вакууме — 299 792 458 метров в секунду, значение точное: с 1983 года метр определяется через него, а не наоборот. Деление даёт 499 секунд, то есть 8 минут 19 секунд.
Число плавает в течение года, потому что орбита Земли — эллипс. В начале января, в перигелии, свет доходит примерно за 8 минут 10 секунд; в начале июля, в афелии, — примерно за 8 минут 27 секунд. Диапазон реального времени в пути укладывается между 490 и 507 секундами. «8 минут 20 секунд» — округлённое среднее, и разброс здесь порядка полуминуты.
Практическое следствие: Солнце в небе — прошлое
Мы всегда видим Солнце там, где оно было восемь с лишним минут назад. Если бы оно погасло прямо сейчас, узнали бы мы об этом не сразу — и, что важнее, Земля продолжала бы двигаться по орбите как ни в чём не бывало те же восемь минут: гравитационное возмущение тоже распространяется со скоростью света.
Тот же эффект работает на любых дистанциях. Отражённый свет Луны идёт до нас 1,3 секунды, из-за чего в переговорах с Аполлонами была слышимая задержка. Сигнал с Марса идёт от 3 до 22 минут в зависимости от взаимного положения планет — поэтому марсоходами нельзя управлять джойстиком, им отправляют программу на день.
Что происходит внутри Солнца
Энергия рождается в ядре — там, где температура достигает примерно 15 миллионов градусов, а водород сливается в гелий. Родившийся при этом гамма-квант почти сразу врезается в электрон или ион и поглощается. Затем излучается снова, в случайную сторону.
Дальше это повторяется — очень много раз. Средняя длина свободного пробега в толще Солнца оценивается в доли миллиметра. Квант не летит наружу, а бредёт случайным блужданием: шаг вперёд, два вбок, шаг назад. Прямой путь от ядра до поверхности — около 696 тысяч километров, но пройденная траектория длиннее в невообразимое число раз, а число актов поглощения и переизлучения оценивают величиной порядка 10²⁵.
По дороге излучение остывает. Из ядра выходят жёсткие гамма-кванты, а наружу, с фотосферы температурой около 5500 °C, выходит уже видимый свет — тот, к которому приспособлен человеческий глаз.
Сколько именно длится этот путь — вопрос спорный
Здесь нужно быть аккуратным: в популярных текстах гуляют числа от нескольких тысяч до десятков миллионов лет, и почти все они взяты без ссылки.
Наиболее цитируемый аккуратный расчёт — работа Роберта Миталаса и Кеннета Силлса, опубликованная в Astrophysical Journal в 1992 году. Взяв длину свободного пробега около 0,9 миллиметра по модели современного Солнца, авторы получили время диффузии порядка 170 тысяч лет.
Другие оценки дают десятки тысяч лет — результат сильно зависит от того, какой профиль плотности и непрозрачности заложен в модель, и от того, считать ли путь от самого центра или от границы ядра. Честная формулировка: порядок величины — десятки-сотни тысяч лет, наиболее обоснованная одиночная цифра — около 170 тысяч. Любое более точное число, названное без оговорок, стоит проверять.
Строго говоря, речь идёт не о путешествии одного и того же фотона: он гибнет при первом же поглощении. Наружу выбирается энергия, а не частица.
Свет, который старше всего написанного
Соотношение стоит держать в голове целиком. Энергия сегодняшнего полуденного луча выбиралась из недр Солнца порядка ста тысяч лет — дольше, чем существует любая человеческая письменность, дольше, чем стоят самые древние из сохранившихся построек. Вышла она с поверхности сегодня утром. И потратила на весь путь от Солнца до Земли восемь минут двадцать секунд.