Tenaga Matahari — Dari Pelakuran Nuklear ke Cahaya

Cahaya yang mengenai kulit anda pada waktu tengah hari bermula sebagai sesuatu yang jauh lebih dahsyat: tindak balas nuklear jauh di dalam teras Matahari, tempat suhu mencecah sekitar 15 juta darjah Celsius dan tekanan begitu tinggi sehingga nukleus atom hidrogen dipaksa berlanggar dan bercantum antara satu sama lain.

Ramai menyangka Matahari "terbakar" seperti kayu atau arang. Sebenarnya, pembakaran biasa memerlukan oksigen dan ialah tindak balas kimia yang melibatkan elektron di kulit luar atom. Apa yang berlaku di teras Matahari sama sekali berbeza: ia ialah pelakuran nuklear, proses yang melibatkan nukleus atom itu sendiri. Melalui rantaian beberapa tindak balas (bukan satu langkah tunggal), empat nukleus hidrogen (proton) akhirnya menghasilkan satu nukleus helium-4. Nukleus helium yang terhasil sedikit lebih ringan berbanding jumlah jisim empat proton asal, dan sebahagian kecil jisim yang "hilang" itu ditukarkan kepada tenaga mengikut persamaan E=mc² Einstein.

Nota Istilahpelakuran nuklear: Proses dua atau lebih nukleus atom ringan bercantum membentuk nukleus lebih berat, membebaskan tenaga hasil daripada sebahagian kecil jisim ditukarkan kepada tenaga. Berbeza sama sekali daripada pembakaran kimia biasa, yang tidak melibatkan nukleus atom langsung.

Daripada teras ke permukaan: perjalanan yang mengambil masa sangat lama

Lapisan Matahari (skematik, bukan skala sebenar): teras tempat pelakuran berlaku, zon radiatif, zon perolakan, dan fotosfera di permukaan.

Tenaga yang terbebas daripada pelakuran nuklear tidak terus terpancar keluar. Ia mula-mula wujud sebagai foton bertenaga tinggi (sinar gama) di dalam teras yang sangat padat. Foton-foton ini bergerak pada jarak yang sangat pendek sebelum diserap dan dipancarkan semula oleh zarah lain di sekelilingnya, berulang kali, dalam apa yang disebut sebagai resapan radiatif melalui zon radiatif Matahari. Ini bukan bermakna satu foton yang sama berjalan terus keluar; oleh sebab tenaga itu diserap dan dipancarkan semula berulang-ulang kali dalam laluan yang sangat berliku-liku, tenaga asal itu mengambil masa puluhan ribu tahun atau lebih untuk meresap keluar daripada teras, walaupun jarak sebenar yang perlu dilaluinya hanya sekitar 700,000 kilometer.

SkalaSelepas tenaga itu akhirnya terbebas daripada permukaan Matahari sebagai cahaya, ia cuma mengambil sekitar 8 minit untuk sampai ke Bumi. Perjalanannya di dalam Matahari sendiri jauh lebih lama daripada perjalanannya merentasi ruang angkasa ke Bumi.

Selepas keluar daripada zon radiatif, tenaga itu diangkut melalui zon konvektif, lapisan luar Matahari tempat gas panas naik dan gas sejuk turun seperti air mendidih dalam periuk, sebelum akhirnya terpancar keluar sebagai sinaran daripada permukaan yang kita lihat. Sinaran itu hanya menjadi "cahaya dan haba" yang kita rasai apabila ia diserap oleh sesuatu, seperti kulit kita atau atmosfera Bumi.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?

Bagaimana kita tahu?

Pemerhatian
Matahari telah bersinar secara konsisten sepanjang berbilion tahun, mengeluarkan tenaga pada kadar yang sangat besar — satu kuantiti tenaga yang sukar dijelaskan oleh proses kimia biasa seperti pembakaran, yang akan menghabiskan bahan api Matahari dalam masa yang jauh lebih singkat.
Bukti
Pelakuran nuklear di teras Matahari turut menghasilkan zarah yang disebut neutrino, yang hampir tidak berinteraksi dengan jirim lain dan boleh terus keluar daripada Matahari dalam beberapa saat sahaja, tanpa terperangkap seperti foton. Pengesan neutrino di Bumi (seperti Sudbury Neutrino Observatory) berjaya mengesan neutrino ini secara langsung, mengesahkan tindak balas nuklear itu sememangnya sedang berlaku sekarang di teras Matahari, bukan sekadar model teori.
Inferens
Kuantiti neutrino jenis "neutrino elektron" yang dikesan pada mulanya lebih rendah daripada jangkaan model asal ("masalah neutrino solar"), yang membawa penyelidik menyiasat sama ada model pelakuran itu sendiri silap, atau ada sesuatu berlaku kepada neutrino dalam perjalanannya.
Model
Penyelidikan lanjut menunjukkan neutrino berubah jenis (berayun antara tiga jenis neutrino) semasa perjalanan, dan pengesan awal hanya peka kepada satu jenis sahaja. Sudbury Neutrino Observatory berjaya mengukur jumlah fluks kesemua tiga jenis neutrino sekali gus, dan jumlah itu sepadan dengan model pelakuran nuklear asal. Penemuan ayunan neutrino ini sendiri dianugerahkan Hadiah Nobel Fizik 2015.
Batasan
Model solar standard menerangkan struktur teras dan kadar pelakuran dengan baik, tetapi butiran terperinci seperti sebaran suhu dan komposisi tepat di setiap lapisan Matahari masih terus diperhalusi melalui teknik seperti helioseismologi (kajian getaran permukaan Matahari).

Kenapa ini penting kepada hampir semua kehidupan di Bumi

Tenaga daripada pelakuran nuklear inilah yang akhirnya digunakan oleh tumbuhan dalam fotosintesis untuk membina bahan organik, yang seterusnya menjadi sumber tenaga bagi hampir seluruh rantaian makanan di Bumi. Dalam erti kata itu, hampir semua tenaga yang mengalir melalui hidupan di planet ini boleh dijejaki kembali kepada tindak balas nuklear yang berlaku di teras Matahari.

Uji KefahamanSoalan 1 daripada 2

Kenapa Matahari tidak dianggap "terbakar" seperti kayu atau arang?