Χαρακτηριστικά

Ο Ήλιος είναι ένας αστέρας της Κύριας Ακολουθίας, φασματικού τύπου G2 V, έχει δηλαδή μεγαλύτερη μάζα και θερμοκρασία απ΄ ότι ένα μέσο αστέρι αλλά σημαντικά μικρότερα από έναν μπλε γίγαντα. Ο χρόνος ζωής ενός αστέρα G2 της Κύριας Ακολουθίας είναι περί τα 10 δισεκατομμύρια έτη· η ηλικία του Ηλίου εκτιμάται στα 5 δισεκατομμύρια. Ο Ήλιος ακολουθεί μία τροχιά περί τον Γαλαξία μας σε μία απόσταση 25.000 με 28.000 έτη φωτός από το κέντρο του Γαλαξία, ολοκληρώνοντας μία περιφορά σε 226 εκατομμύρια έτη περίπου. Γύρω από τον `Ήλιο έχουν τις τροχιές του οι 8 γνωστοί πλανήτες (η Γη είναι ο τρίτος πλανήτης από τον `Ήλιο) με τους δορυφόρους τους, καθώς και άλλα σώματα όπως αστεροειδείς και κομήτες, αυτό που καλούμε Ηλιακό Σύστημα.

Μορφή

Το σχήμα του Ηλίου, μετά από επιμελημένες μετρήσεις έδειξαν ότι είναι σχεδόν μία τέλεια σφαίρα με μέση διάμετρο 1.392.000 km (109 γήινες διάμετροι) με μία πλάτυνση περί τα 9 εκατομμυριοστά, η οποία οφείλεται κυρίως στη βαρύτητα του πλανήτη Δία.

Μέγεθος

Στην αντίληψη του μεγέθους τού Ήλιου συχνά γίνεται λόγος του όρου "φαινόμενη διάμετρος του Ηλίου". Φαινόμενη διάμετρος του Ηλίου ονομάζεται η γωνία ΑΓΒ με την οποία παρατηρείται ο Ήλιος από τη Γη όταν Α και Β είναι αντιδιαμετρικά σημεία της περιφέρειας του δίσκου του Ηλίου και Γ το σημείο της Γης (του παρατηρητή).

Η διχοτόμος της γωνίας ΑΓΒ εκφράζει την απόσταση Γης Ηλίου δηλαδή την απόσταση ΓΗ.

Η φαινόμενη διάμετρος του Ήλιου μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια του έτους.
Στις 1 Ιανουαρίου κατ΄ έτος λαμβάνει τη μεγαλύτερη τιμή, ίση προς 32΄ 36΄΄,2 ενώ στις 2 Ιουλίου περιορίζεται στην ελάχιστη τιμή των 31΄ 32΄΄. Συνεπώς η μέση τιμή αυτής είναι 32΄ 4΄΄,1.

Απόσταση

Αυτή η μεταβολή της φαινομένης διαμέτρου αποδεικνύει ότι η Γη δεν περιστρέφεται περί τον Ήλιο σε κυκλική τροχιά αλλά σε ελλειπτική σε τρόπο ώστε την 1η Ιανουαρίου η απόσταση από τη γη να λαμβάνει την ελάχιστη τιμή των 147.100.000 χλμ (km) και τη 2α Ιουλίου τη μέγιστη τιμή των 152.100.000 χλμ (km). Συνεπώς η μέση τιμή απόστασης είναι 149.504.312 km.

Λαμπρότητα

Μετρήσεις λαμπρότητας του Ήλιου έδειξαν ότι αυτός είναι 12 Χ 1010 φορές λαμπρότερος από αστέρα α΄ μεγέθους και κατά 23 Χ 107 φορές λαμπρότερος του φωτός όλων των αστέρων μαζί. Γι΄ αυτό άλλωστε κατά την ημέρα τους αποκρύπτει. Τέλος σε σχέση με την Πανσέληνο είναι κατά 56 Χ 104 φορές λαμπρότερος εκείνης.
Ο Ήλιος φαίνεται τόσο λαμπρός ακριβώς λόγω της μικρής σχετικά απόστασής του από τη Γη, σε σχέση πάντα με τους άλλους αστέρες. Αν όμως βρισκόταν σε απόσταση 10 παρσέκ τότε θα φαινόταν ως ένας αμυδρός αστέρας, 5ου (ε΄) περίπου μεγέθους. Ακριβέστερα το απόλυτο μέγεθος αυτού είναι 4,8.
Παρατηρούμενος ο Ήλιος με τηλεσκόπιο δεν φαίνεται ομοιόμορφα φωτεινός σε όλη την έκταση του δίσκου του, αλλά λαμπρότερος στο κέντρο του και αμυδρότερος στη περιφέρεια του δίσκου του, (όπως και στην παρακείμενη εικόνα του, στον ενδεικτικό πίνακα). Αυτό μαρτυρεί ότι η ηλιακή σφαίρα περιβάλλεται από ατμόσφαιρα που απορροφά το φως του.

Περιστροφή

Η πλήρης σφαιρικότητα του Ήλιου εξηγείται από τη βραδεία του περιστροφή. Πράγματι τόσο κατά την οπτική όσο και την φασματοσκοπική εξέταση η ηλιακή σφαίρα περιστρέφεται στον άξονά της εκ δυσμών προς ανατολάς και ο απαιτούμενος χρόνος περιστροφής, κατά μέσον όρο φθάνει τις 25 ημέρες και 23 λεπτά (γήινου χρόνου). Ο χρόνος όμως αυτός δεν είναι σταθερός σε όλα τα σημεία της επιφάνειάς του. Έτσι στη περιοχή του ηλιακού ισημερινού περιορίζεται στις 24 ημέρες και 15 ώρες, ενώ σε απόσταση 45° από αυτόν τον ισημερινό φθάνει τις 28,5 ημέρες περίπου ενώ στους πόλους παρατηρείται ακόμη μεγαλύτερος.

Η αύξηση της διάρκειας της περιστροφής από τον ισημερινό στους πόλους αποδεικνύει ότι η ηλιακή σφαίρα δεν είναι στερεό σώμα αλλά ρευστό.

Σύσταση

Ο Ήλιος αποτελείται κατά 74% από υδρογόνο, κατά 25% από ήλιο και 1% από άλλα στοιχεία. Το υδρογόνο αποτελεί το κύριο καύσιμο για τις θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που παράγουν την ενέργεια που ακτινοβολεί, ενώ το ήλιο προέρχεται κυρίως από τα προϊόντα της πυρηνικής σύντηξης του υδρογόνου.

Ο Ήλιος δεν έχει σαφή επιφάνεια όπως έχουν οι γήινοι πλανήτες. Η πυκνότητα των αερίων μειώνεται σε συνάρτηση με την ακτίνα του Ηλίου με ένα νόμο αντιστρόφου τετραγώνου. Η ακτίνα του Ηλίου μετριέται από το κέντρο του άστρου έως τη φωτόσφαιρα, έξω από την οποία δεν λαμβάνει χώρα η πυρηνική σύντηξη.

Οι συνθήκες όμως στο κέντρο του Ηλίου όπως και σε οποιοδήποτε άλλο αστέρα είναι κάθε άλλο παρά κανονικές. Η θερμοκρασία εδώ φθάνει τους 20 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου. Αυτό έχει σαν συνέπεια τα άτομα υπερθερμασμένα να κινούνται με μεγάλες ταχύτητες, να συγκρούονται μεταξύ τους σφοδρά και βίαια έτσι ώστε 2 άτομα υδρογόνου να κολλάνε μεταξύ τους κατά τη σύγκρουση. Αν ακολουθήσουν άλλες δύο συγκρούσεις τότε προστίθενται άλλα 2 άτομα υδρογόνου στο σύνολο φτιάχνοντας έτσι ένα σταθερό άτομο ηλίου.

Το παράξενο στη διαδικασία αυτή είναι ότι τα 4 μεμονωμένα άτομα υδρογόνου ζυγίζουν περισσότερο, πριν τη συγχώνευση, από ένα άτομο ηλίου που δημιουργήθηκε με τη συγχώνευση. Τι έγινε η υπόλοιπη μάζα; Απλούστατα, μετατράπηκε σε ενέργεια, όπως πρόβλεψε ο Αλβέρτος Αϊνστάιν στη περίφημη εξίσωσή του

Ε=mc2

Δηλαδή η ενέργεια (που εκπέμπεται) είναι ίση με το γινόμενο της μάζας (που λείπει) επί το τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός. Ποιο απλά, ελάχιστη μάζα παρέχει τεράστια ενέργεια.

Η ενέργεια του Ηλίου

Ο Ήλιος δεν είναι τίποτε άλλο παρά μια τεράστια σφαίρα από διάφορα αέρια κυρίαρχα των οποίων είναι το υδρογόνο και το ήλιο. Η θερμοκρασία που επικρατεί στον Ήλιο είναι τόσο μεγάλη ώστε να εξαερώνονται ακόμη και τα μέταλλα. Η ποσότητα ενέργειας που παράγεται είναι απίστευτη. Έχει προσδιοριστεί πως σε κάθε δευτερόλεπτο ο Ήλιος εκπέμπει τόση ενέργεια όση θα έδινε μια έκρηξη 4 δισεκατομμυρίων βομβών υδρογόνου των 100 μεγατόνων η κάθε μία! Δηλαδή κάπου με μερικές εκατοντάδες δισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων κιλοβατώρες! (Συγκριτικά αν αυτό το χρέωνε η ΔΕΗ θα έπρεπε ο ελληνικός λαός να πληρώνει τον ετήσιο προϋπολογισμό της Ελλάδας για 10.000 τρισεκατομμύρια χρόνια!). Και όλα αυτά για ένα μόνο δευτερόλεπτο, ενώ ο Ήλιος εκπέμπει εδώ και 5 δισεκατομμύρια χρόνια και θα συνεχίσει τουλάχιστον για άλλα τόσα.

Κύριο και εύλογο ερώτημα είναι το πως ο Ήλιος παράγει και ακτινοβολεί τόση ενέργεια. Την απάντηση μας τη δίνουν οι ανακαλύψεις του τελευταίου αιώνα, ότι τα άτομα αποτελούνται από πρωτόνια (σωματίδια με θετικό ηλεκτρικό φορτίο), από νετρόνια (χωρίς κανένα φορτίο) που αποτελούν μαζί τον πυρήνα του ατόμου και από τα μικροσκοπικά ηλεκτρόνια (με αρνητικό φορτίο) που κινούνται σε τροχιές γύρω από τον πυρήνα.
Όλα τα χημικά στοιχεία αποτελούνται από άτομα με διαφορετικές ποσότητες πρωτονίων, νετρονίων και ηλεκτρονίων. Το υδρογόνο θεωρείται το πιο απλό από τα χημικά στοιχεία, αποτελείται μόνο από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο, ενώ το δεύτερο απλούστερο χημικό στοιχείο είναι το ήλιο που αποτελείται από δύο πρωτόνια, δύο νετρόνια και δύο ηλεκτρόνια που παραμένουν πάντα υπό ΚΣ.

Στο κέντρο του Ήλιου

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω κάθε δευτερόλεπτο που περνάει περίπου 655 εκατομμύρια τόνοι υδρογόνου (από τη μάζα του ήλιου) μετατρέπονται σε 650 εκατομμύρια τόνοι ηλίου He (που συνεχίζουν να αποτελούν μάζα του Ήλιου). Από τη διαφορά αυτή 4,6 εκατομμύρια τόνοι μετατρέπονται σε ενέργεια.
Η θερμοκρασία που επικρατεί στο κέντρο του Ήλιου φθάνει τους 20 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου. Σε τέτοια θερμοκρασία είναι προφανές ότι τα άτομα έχουν χάσει τα ηλεκτρόνιά τους, βρίσκονται δηλαδή ιονισμένα και η κατάσταση της ύλης δεν είναι ούτε στερεά, ούτε υγρά, ούτε και αέρια, αλλά βρίσκεται σε μιά άλλη κατάσταση, ηλεκτρικά ουδέτερη, που καλείται πλάσμα.
Η ύλη δηλαδή στη καρδιά των άστρων αποτελείται από μίγμα ελεύθερων πυρήνων και ελεύθερων ηλεκτρονίων. Επειδή το υδρογόνο είναι κύριο συστατικό των άστρων, αυτό σημαίνει πως το αστρικό πλάσμα αποτελείται κυρίως από ελεύθερα πρωτόνια που θα πρέπει να συνδεθούν μεταξύ τους για να σχηματίσουν το στοιχείο ήλιο. Όλα όμως τα πρωτόνια έχουν θετικό φορτίο και σύμφωνα με την ηλεκτροστατική άπωση αυτά απωθούνται μεταξύ τους. Και εύλογα γεννιέται τότε το ερώτημα πως τελικά αυτά συνδέονται;
Για να μπορέσουν δύο πρωτόνια να ενωθούν χρειάζεται να έχουν μεγάλη ταχύτητα έτσι ώστε εξ αυτής να αποκτήσουν μεγάλη κινητική ενέργεια που να υπερνικά την μεταξύ τους απωθητική ενέργεια. Δύο πρωτόνια αν πλησιάσουν μεταξύ τους απόσταση του ενός εκατοστού του ενός τρισεκατομμυριοστού του χιλιοστού δηλαδή 10-14 χιλιοστά ή 0,00000000000001 του χιλιοστού, τότε η ηλεκτροστατική άπωση θα σταματήσει να ασκείται και άλλες δυνάμεις αναλαμβάνουν τη σύνδεσή τους.
Παρόλη όμως τη τεράστια θερμοκρασία που αναπτύσσεται στο εσωτερικό του Ήλιου (και των άστρων) που υποχρεώνει τα άτομα του υδρογόνου να κινούνται με τεράστιες ταχύτητες, εφοδιάζοντάς τα έτσι με κινητική ενέργεια χιλίων ηλεκτρονιοβόλτ (1KeV) η ενέργεια αυτή είναι χίλιες φορές περίπου μικρότερη για την υπέρβαση της ηλεκτροστατικής άπωσης ανάμεσα σε δύο ατομικούς πυρήνες όταν η ενέργεια που απαιτείται φθάνει το ένα εκατομμύριο ηλεκτρονιοβόλτ (1MeV). Συνεπώς κάτω από αυτές τις συνθήκες καμία πυρηνική αντίδραση δεν θα μπορούσε να είναι δυνατή στο εσωτερικό των άστρων. Εδώ έρχεται η κβαντομηχανική και δίνει τη λύση.
Από τους νόμους της κβαντομηχανικής διαφαίνεται πως παρά τη μεγάλη διαφορά της απαιτούμενης από της πραγματικής κινητικής ενέργειας των πρωτονίων η πιθανότητα σύγκρουσής των δεν είναι μηδενική αλλά αρκετά μεγάλη έτσι ώστε τουλάχιστον ορισμένα να καταφέρουν να υπερνικήσουν την απωθητική δύναμη να συγκρουστούν και ν΄ αρχίσουν και να συνεχίσουν τις απαιτούμενες πυρηνικές αντιδράσεις. Φυσικά υπολογίζεται πως μόνο ένα πρωτόνιο στα 100 εκατομμύρια θα μπορεί να έχει αρκετή ενέργεια για τη συντήρηση των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων. Αλλά ο αριθμός των ατόμων του Ηλίου είναι τόσο τεράστιος ώστε σε κάθε δευτερόλεπτο 280 τρισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων, τρισεκατομμυρίων ή 2,8Χ1038 (ή ο αριθμός 28 ακολουθούμενος από 37 μηδενικά) άτομα υδρογόνου συντήκονται και μετατρέπονται σε ήλιο.

Θερμοπυρηνικές αντιδράσεις

Υπό αυτές τις συνθήκες ο Ήλιος είναι ένας τεράστιος θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας που μετατρέπει το υδρογόνο σε ήλιο. Και μάλιστα στη διάρκεια αυτή της διαδικασίας σε κάθε δευτερόλεπτο μετατρέπει σε ενέργεια 4,6 εκατομμύρια τόνους από τη μάζα του. Παρόλο όμως που χάνει τόση μάζα, είναι τόσο πολύ τεράστιος που και δισεκατομμύρια χρόνια να περάσουν θά χάσει μόλις το ένα εκατοστό της μάζας του.

Όλα τα άστρα στον ουρανό ακτινοβολούν ενέργεια με τον ίδιο τρόπο έστω κι αν είναι μικρότερα ή μεγαλύτερα ή θερμότερα.

Το γενικό υπόβαθρο της εσωτερικής δομής των άστρων γενικά οφείλεται στον Άγγλο φυσικό αστρονόμο Άρθουρ Έντιγκτον (1882-1944) και πολύ πριν ανακαλυφθεί η πηγή ενέργειας των άστρων. Ο Έντιγκτον είχε περιγράψει τη κατάσταση που επικρατεί στη καρδιά των άστρων ως εξής:
"Μέσα σ΄ ένα κυβικό εκατοστό βρίσκονται συμπυκνωμένα ένα τρισεκατομμύριο τρισεκατομμυρίων άτομα, περίπου διπλάσια ελεύθερα ηλεκτρόνια και 20 δισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων ακτίνες Χ. Οι ακτίνες Χ κινούνται με τη ταχύτητα του φωτός και τα ηλεκτρόνια με ταχύτητα 16.000 χλμ το δευτερόλεπτο. Τα περισσότερα άτομα είναι απλά πρωτόνια (δηλαδή πυρήνες υδρογόνου) που τρέχουν με ταχύτητα περίπου 500 χλμ/sec. Όμως στο χώρο υπάρχουν βαρύτερα άτομα που κινούνται ποιό αργά 60 χλμ/sec. Με τις παραπάνω ταχύτητες μπορείτε κάλλιστα να φανταστείτε το μέγεθος των συγκρούσεων που επακολουθούν".

Αυτός είναι και ο λόγος που κάνει τα άστρα να λάμπουν στον ουρανό.

Η διαδικασία αυτή εξηγήθηκε όμως για πρώτη φορά από τον Γερμανο-Αμερικανό φυσικό Χανς Α. Μπέτε το 1938 όπου και του χάρισε το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής (το 1967).

Δύο είναι τα βασικά είδη των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων που συμβαίνουν στις μάζες των άστρων. Η μία ονομάζεται αλυσίδα πρωτονίου - πρωτονίου και η άλλη κύκλος του άνθρακα. Και στα δύο αυτά είδη αντιδράσεων 4 πυρήνες υδρογόνου (Η-1) συγχωνεύονται σε ένα πυρήνα ηλίου (He-4) εκπέμποντας συγχρόνως συνολική ενέργεια 26,2 εκατομμυρίων ηλεκτρονιοβόλτ (MeV). Στη διάρκεια της διαδικασίας αυτής όταν 1000 γραμμάρια υδρογόνου συγχωνεύονται δημιουργούν 993 γραμμάρια ηλίου (He), γεγονός που σημαίνει ότι χάνονται συνολικά μόλις 7 γραμμάρια ύλης. Και είναι αυτή που μετατράπηκε σε τόση μεγάλη ενέργεια.

Ο θάνατος του Ηλίου

Η μάζα του Ηλίου δεν είναι τέτοια ώστε να τον οδηγήσει σε κατάσταση καινοφανούς ή υπερκαινοφανούς (Nova / Supernova). Ωστόσο εκτιμάται πως σε 4 με 5 δισεκατομμύρια έτη, με την εξάντληση των αποθεμάτων υδρογόνου και τη μεταστοιχείωσή τους σε ήλιο και κατόπιν σε βαρύτερα στοιχεία, θα αρχίσει να διαστέλλεται σχηματίζοντας έναν κόκκινο γίγαντα. Αυτό θα συμβεί διότι η πίεση από την σύντηξη των βαρύτερων στοιχείων είναι μεγαλύτερη από την αντίστοιχη του υδρογόνου, έτσι για να εξισορροπηθεί με την βαρύτητα θα μεγαλώσει ο όγκος του Ηλίου.

Αν και είναι πιθανόν η έκταση του κόκκινου γίγαντα να περιέχει την τροχιά της Γης, πρόσφατες έρευνες υποστηρίζουν πως η διαδικασία επέκτασης σε κόκκινο γίγαντα θα προωθήσει τη Γη σε απομακρυσμένη τροχιά, αποτρέποντας την εξάχνωσή της. Μετά τη φάση του κόκκινου γίγαντα, ο Ήλιος θα γίνει ένας άσπρος νάνος, ο οποίος θα ψύχεται για τα επόμενα 5 δισεκατομμύρια έτη.