Ядро Солнца представляет собой высокоплотную, высокотемпературную среду, где доминируют процессы термоядерного синтеза. Основная энергия Солнца образуется за счет превращения водорода в гелий с выделением огромного количества энергии и потоков нейтрино. Процессы синтеза в звездах классифицируются по типу цепочек реакций и условиям температуры и давления в ядре.
Протон-протонный цикл является доминирующим источником энергии в звездах с массой, близкой к солнечной. Он включает несколько этапов:
Слияние двух протонов:
p + p → D + e+ + νe
Здесь D — дейтерий, e+ — позитрон, νe — электронное нейтрино. Этот процесс медленный, поскольку протон должен преодолеть кулоновский барьер и пройти через слабое взаимодействие, превращаясь в нейтрон.
Присоединение протона к дейтерию:
D + p → 3He + γ
Образуется гелий-3 и гамма-квант.
Образование гелия-4: Два ядра гелия-3 сливаются, образуя гелий-4 и два протона:
3He + 3He → 4He + 2p
Энергия, выделяемая в pp-цикле, составляет около 26,7 МэВ на один полный цикл. Важным продуктом является поток нейтрино, называемых pp-нейтрино, с энергией до 0,42 МэВ.
Для более массивных звезд, температура ядра которых превышает 1.5 × 107 K, значительную роль играет углеродно-азотно-кислородный (CNO) цикл:
12C + p → 13N + γ
13N → 13C + e+ + νe
13C + p → 14N + γ
14N + p → 15O + γ
15O → 15N + e+ + νe
15N + p → 12C + 4He
Этот цикл также производит нейтрино, но с более высокой энергией — до 1,7 МэВ для 13N и до 1,73 МэВ для 15O нейтрино.
Нейтрино, образующиеся в термоядерных реакциях, обладают очень малым сечением взаимодействия с веществом, что позволяет им практически беспрепятственно покидать ядро Солнца. Существует несколько основных типов солнечных нейтрино:
Энергетические спектры нейтрино имеют непрерывную часть (от бета-распада) и линии (от электронного захвата), что позволяет детектировать их и анализировать процессы внутри Солнца.
Скорость термоядерных реакций сильно зависит от температуры ядра по закону Фузионной реакции:
R ∼ Tn
где n ≈ 4 для pp-цикла и n ≈ 18 − 20 для CNO-цикла. Даже небольшое изменение температуры вызывает экспоненциальное изменение скорости реакции, что критично для стабильности энергетического выхода Солнца.
Энергия, выделяемая в термоядерных реакциях, превращается в фотонное излучение, поддерживая светимость Солнца:
L⊙ ≈ 3.846 × 1026 Вт
При этом менее 2% энергии уходит с потоком нейтрино. Несмотря на это, нейтрино дают уникальную возможность «заглянуть» внутрь Солнца, так как они практически не взаимодействуют с солнечной материей.
Наблюдение солнечных нейтрино стало ключевым тестом для моделей звездной эволюции. Исторически существовала проблема недостающих нейтрино, которая привела к открытию эффекта осцилляций нейтрино, показывающего, что нейтрино имеют массу и могут менять свои типы (флаворы) при движении от Солнца к Земле.