Astronomové stále přesně nevíme, co slunce je vyrobena z

Jako astronomové pohled do hlubin vesmíru, dělají tak s neklidu: nevědí přesně, jaký vesmír je.

není To jen o skutečné povaze temné hmoty, který jim uniká, takže se podstatou hvězdy, které flíček oblohy a naplnění mnoha galaxií v celém vesmíru., Překvapivě nikdo nezná přesné chemické složení hvězd: kolik atomů uhlíku, dusíku a kyslíku mají vzhledem k vodíku, nejběžnějšímu prvku.

tato čísla jsou zásadní, protože ovlivňují, jak hvězdy žijí a umírají, jaké typy planet se tvoří a dokonce jak snadno může život vzniknout na jiných světech.

před dvaceti lety astronomové vyjádřili důvěru v Čísla, se kterými pracovali. Teď už ne tolik. Problém nespočívá ve vzdálených koutech vesmíru, ale mnohem blíže k domovu. Překvapivě vědci přesně nevědí, z čeho je slunce Vyrobeno., V důsledku toho také nevědí, z čeho jsou ostatní hvězdy vyrobeny.

„slunce je základním měřítkem,“ říká Martin Asplund, astrofyzik Ústavu Maxe Plancka pro Astrofyziku v Garchingu, Německo. „Když určíme hojnost určitého prvku v hvězdě nebo galaxii nebo oblaku plynu kdekoli ve vesmíru, používáme slunce jako referenční bod.“

to dává smysl. Slunce tvoří 99,86 procenta hmotnosti sluneční soustavy., Každý průzkumník, který konzultoval stejné procento voličů, by neměl problém předpovědět výsledek příštích voleb.

poloha Slunce v Mléčné dráze z něj také činí dobrého zástupce celé galaxie. Stejně jako politické názory se liší od městského jádra na venkov, tak hvězdné abundances změnit z galaktického středu k okraji, a slunce se stane být v perfektní pozici — asi v půli cesty z Mléčné dráhy středu k okraji jejího disku hvězd — na vzorku celé galaxii.,

a Co víc, většina hvězd ve vesmíru jsou umístěny v obřích galaxií, jako je Mléčná dráha, která dělá slunce prubířským kamenem pro celý vesmír.

Plus, slunce je tak jasné, že astronomové mohou studovat detaily svého světla s vynikající přesností. To by jim mělo umožnit určit přesné množství chemických prvků slunce.

Pro téměř století, astronomové usoudili, hvězdy normální, nebo ne tím, že vidí, zda je jejich chemické složení zápas slunce. Většina hvězd u nás, některé ne.,

to je důvod, proč v článku o sluneční chemické složení tím, Asplund a jeho kolegové v roce 2009, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, který získal více než 4 000 akademických citací z kolegů vědců: Astronomové neustále porovnávat hvězdy a galaxie na slunce. Je to univerzální standard.

ale Asplundova práce je kontroverzní. On a jeho kolegové použili nové modely pro analýzu slunečního světla a zjistil výrazně nižší úrovně z nejčastějších těžkých prvků na slunci — včetně uhlíku a kyslíku — ve srovnání s předchozími výpočty., (Astronomové nazývají většinu prvků těžších než helium “ těžké.“) Asplund práce tedy vyplývá, že ostatní hvězdy a dokonce celý vesmír, mají mnohem menší množství těžkých prvků, než se dříve myslelo.

užívejte kyslík. „Toto je nejhojnější těžký prvek ve vesmíru,“ říká Marc Pinsonneault, astronom na Ohio State University., Byl kritikem Asplundových čísel, protože vedou ke konfliktům s pozorováním interiéru slunce.

„slunce je jedním z mála způsobů, jak skutečně měřit, kolik kyslíku je. Takže pokud je Asplund správný … znamená to, že ve vesmíru je o 40 procent méně kyslíku, protože všechna naše měření se násobí tím, co předpokládáme pro slunce, “ říká Pinsonneault.

kontroverze vydržela 20 let; ani jedna strana se nevzdala druhé. „Odpověď jsme zatím nenašli,“ říká Katharina Loddersová, kosmochemička na Washingtonské univerzitě v St., Louis, který věští hojnosti z meteoritů a nazývá dlouhodobý spor frustrující. „Myslím, že ‚co nám chybí? pro vědce je to jedna z největších výzev. Jak to může být, že existuje něco, co nemůžeme vysvětlit? Musí existovat odpověď.“

nižší hladiny kyslíku a dalších těžkých prvků, které zastánci Asplundu způsobili nejen nejistotu, ale také potíže. „Velmi brzy jsem tušil, že to povede ke konfliktu,“ říká.

přesto Asplund i Pinsonneault tvrdí, že debata je přátelská., „S vědeckým výkladem se velmi silně nesouhlasíme, „říká Asplund,“ ale jsme velmi rádi, že si pak můžeme zajít na pivo.“

naštěstí celá řada současných i budoucích experimentů může tuto záležitost konečně vyřešit.

kyslík: kritický prvek

navzdory kontroverzi se všichni shodují na základech: slunce se skládá hlavně z vodíku a helia, dvou nejlehčích prvků. Generuje energii ve svém středu jadernými reakcemi, které přeměňují vodík na helium. Ale kvůli Asplundově práci je množství dalších nejhojnějších prvků ve sporu.,

je to nesmírně důležité. Kyslík tvoří téměř polovinu všech těžkých atomů ve vesmíru. Většina těchto atomů vystopuje jejich narození hvězdám mnohem masivnějším než Slunce. Pozdě ve svém jasném, ale krátkém životě, tyto hvězdy spojí čtyři jádra helia dohromady, aby vytvořily kyslík. Hvězdy nakonec explodují a střílí životodárný prvek pryč. Jen jedna supernova může vysunout více než sluneční hmotnost kyslíku. Pokud je hladina kyslíku na slunci a tím i celý vesmír tak nízká, jak věří Asplund, byly tyto masivní hvězdy produkující kyslík mnohem méně plodné, než se předpokládalo.,

kyslík je životně důležitý způsobem zřejmým i ne. Zřejmé: potřebujeme kyslík k dýchání. Méně zřejmé: více než polovina atomů ve skalách pod našimi nohama je kyslík. A prvek hrál důležitou roli při formování všech planet v naší sluneční soustavě.,

kritický význam kyslíku zde nekončí. Koneckonců, v každé molekule vody je atom kyslíku. „Voda je nezbytná pro život,“ říká nájemníci. „Voda byla nezbytná pro formování života.“Takže žádný kyslík, žádná voda a žádný život.

pokračujte, wayward sun

dalekosáhlé ačkoli to je, doutnající kontroverze nad množstvím kyslíku a dalších těžkých prvků slunce začala náhodou. Koncem 90.let Asplund chtěl studovat starověké hvězdy, které měly jen almužnu těžkých prvků. Nejprve si však myslel, že je moudré lépe zjistit složení Slunce.,

k tomu on a jeho kolegové vyvinuli nové modely, které vysvětlují sluneční spektrum, duha barev, které naše hvězda vydává. Atomy různých prvků absorbují různé vlnové délky světla a produkují to, co se nazývá spektrální linie. Čím více atomů určitého prvku existuje na povrchu Slunce, tím více světla atomy absorbují a čím silnější jsou spektrální čáry. Spektrální čáry tak mohou odhalit hojnost prvku vzhledem k vodíku, který je hlavní složkou slunce.,

, Protože slunce se nastaví standardní, vědci mohou metaforicky vidět celý vesmír v jediném sunbeam: na základě analýzy slunečního spektra, mohou určit poměr vodíku, uhlíku, dusíku a kyslíku v průběhu celého vesmíru.

Asplund nové modely jsou mnohem složitější než ty předchozí, vyhýbat zjednodušení a aproximací. „Neměl jsem žádné skutečné očekávání, že by to vůbec změnilo sluneční množství,“ říká. „Byl to docela šťastný výstřel.“

ve svých modelech každý ze čtyř nejhojnějších těžkých prvků vesmíru zaznamenal velký hit. Ve srovnání s čísly zveřejněnými o 20 let dříve doporučil článek Asplunda a kolegů z roku 2009 výrazně nižší hodnoty., Nové modely snížily odhadovanou hladinu kyslíku na slunci a tedy ve vesmíru o neuvěřitelných 42 procent. Uhlík, další předpoklad pro život, klesl o 26 procent, zatímco hladina neonu a dusíku klesla o 31 procent a 40 procent.

podle všech výpočtů představují tyto čtyři prvky drtivou většinu (88 procent v Asplundově práci, o něco více v jiných číslech) všech těžkých atomů ve vesmíru. Pokud měl Asplund pravdu, vesmír jich měl mnohem méně, než si kdokoli myslel. A to znamenalo obrovské potíže pro modely interiéru slunce.,

Uvnitř slunce

Těžké prvky jako je kyslík alter slunce v interiéru, protože absorbují záření jako lužičtí srbové svou cestu ven ze slunečního jádra k povrchu. Pomocí starých slunečních abundancí si astronomové mysleli, že díky technice známé jako helioseismologie přišli na interiér slunce. Stejně jako náš svět má zemětřesení, tak interiér slunce vibruje zvukovými vlnami. A stejně jako seismologové používají otřesy k odvození struktury zemského vnitřku, tak vibrace vlnící se sluncem odhalily jeho vnitřní strukturu.,

například, ve většině interiéru slunce, záření se odrazí od atomu k atomu, pomalu se nesoucí teplo z jádra ven. V nejvzdálenějších částech slunce je však materiál chladnější a neprůhlednější, hlavně proto, že těžké prvky, jako je kyslík, absorbují fotony. Tato neprůhlednost znamená, že fotony tam nemohou převézt teplo. Místo toho se zavádí proces zvaný konvekce: horký plyn stoupá na sluneční povrch, vyzařuje teplo, pak ochlazuje a klesá zpět dolů. Vidíte něco podobného, když vaříte hrnec vody.,

Helioseismologie určuje polohu hranice mezi slunečním radiačním interiérem a jeho konvektivní obálkou. „To se ukazuje jako závada ve zvukových vlnách,“ říká Pinsonneault. V důsledku toho víme, že tato hranice se vyskytuje přesně na 71,3 procenta slunečního poloměru. Ale pokud má Slunce ve skutečnosti méně kyslíku, uhlíku, neonu a dusíku, pak je interiér slunce méně neprůhledný, což umožňuje záření přenášet teplo dále od středu Slunce, což je v rozporu s helioseismologickými pozorováními., „Buď nerozumíme slunci, nebo se mýlíme,“ řekl Pinsonneault na rozhovoru z roku 2011, kde upřednostňoval vyšší množství kyslíku.

přesto Pinsonneault uznává, že nové modely Asplund jsou lepší než starší a jejich redeterminace solárních abundancí by měla být platná. Za prvé, Asplundovy modely berou v úvahu konvekci, kterou dřívější práce zanedbaly. Jeho tým také uznal, že červená spektrální linie, která údajně vznikla z kyslíku, je ve skutečnosti směsí kyslíku a niklu; odečtení příspěvku niklu vedlo k nižšímu množství kyslíku.

velká část problému pramení ze samotného atomu kyslíku. „Je to jen problémové dítě,“ říká Pinsonneault., „Vždy to bylo problémové dítě.“

běžné ačkoli kyslík je, produkuje několik spektrálních čar na slunci, z nichž všechny jsou těžké analyzovat, takže prvek ponechává jen málo vodítek k jeho hojnosti. „Naproti tomu všichni souhlasí s množstvím slunečního železa,“ říká Pinsonneault. Je to proto, že železo produkuje nepřeberné množství spektrálních čar, které jsou zralé pro analýzu.

jako nájemci, Pinsonneault nazývá zdánlivě věčný spor frustrující. „Bylo překvapivě těžké získat nové informace k vyřešení problému,“ říká. „Potřebujeme jen nová data, abychom to mohli rozlousknout.,“

něco nového pod sluncem

naštěstí se brzy objeví nová data. V laboratoři mohou fyzici měřit opacity různých prvků tím, že je podrobí horkým teplotám, které převládají uvnitř Slunce. V posledních letech, vědci vyprosil těchto experimentů dokonce ještě vyšší teploty horký dost sondy podmínky podobné těm, hluboko pod sluneční povrch, na konvektivní-radiativní hranice — a v plazmatu dostatečně velký a dlouho-žil pro získání přesných čísel.,

V roce 2015 Jim Bailey, experimentální fyzik v Sandia National Laboratories, a jeho kolegové uvádějí, že neprůhlednost železa na slunci je skutečně vyšší, než se očekávalo. „Náš výsledek udělal astronomické komunitě docela šťastný,“ říká, „protože to znamená, že tam je aspoň naděje, že se mohou smířit s tím, že si myslí, že jsou nejlepší odhady množství standardního slunečního modelu a s helioseismology.“

Bailey nyní obrátil svou pozornost na kyslík a očekává své první výsledky za tři roky., Pokud kyslík ukáže být více neprůhledný než v současné době počítá, pak slunce nepotřebuje tolik prvek k udržení pozorovány umístění radiativní-konvekční hranice. To by mohlo eliminovat rozpor mezi novými slunečními abundancemi a helioseismologií.

mezitím Asplund i Pinsonneault poukazují na další slibné řešení. Když sluneční jádro generuje energii, vydává neutrina, strašidelné částice, které se vzdalují a dostanou se na Zemi asi o osm minut později. Probíhající studie těchto neutrin by měly nabídnout nový způsob, jak odhadnout elementární abundance., Je to proto, že určitá neutrina vznikají v procesu, který používá uhlík, dusík a kyslík jako katalyzátory k přeměně vodíku na helium.

tento cyklus CNO generuje pouze asi 1 procento sluneční energie, ale čím více uhlíku, dusíku a kyslíku slunce skutečně má, tím více těchto neutrin CNO by mělo existovat. Před šesti lety fyzici použili experiment Borexino v Itálii k detekci neutrin z hlavní jaderné reakce slunce., Tento týden vědci Borexino oznámili, že stejný experiment zachytil neutrina CNO, což znamená, že je jen otázkou času, než pomohou odhalit sluneční hojnost.

konečný verdikt?

Lodders zaznamenává další důvod naděje. Kdysi astronomové argumentovali nad množstvím kosmického železa: sluneční spektrum dalo jinou úroveň než meteority. „Byla to velká záhada na dlouhou dobu,“ říká. Debata skončila, když astronomové použili nově změřené atomové parametry pro železo a revidovali své výpočty množství slunečního železa a pomstili meteoritický výsledek.,

Asplund očekává, že probíhající experimenty s neprůhledností a neutrinem vyřeší spor. „Nesázel bych na to svůj dům, „říká,“ ale byl bych velmi zklamaný, kdybychom ve skutečnosti nevěděli, jaká je odpověď za 10 let.“

Tento článek se původně objevil v Poznatelné Časopis, nezávislou novinářskou práci, z Ročních Recenze.