Astronomerne ved stadig ikke præcis, hvad solen er lavet af

Som astronomer stirre ud i rummets dybder, de gør det med bekymring, at De ikke ved præcist, hvad universet er lavet af.

det er ikke kun den sande natur af mørkt stof, der undgår dem; det gør også essensen af stjernerne, der pletter himlen og befolker de mange galakser i hele kosmos., Overraskende nok kender ingen stjernernes nøjagtige kemiske sammensætning: hvor mange carbon -, nitrogen-og iltatomer de har i forhold til hydrogen, det mest almindelige element.

disse tal er afgørende, fordi de påvirker, hvordan stjerner lever og dør, hvilke typer planeter der dannes, og endda hvor let livet kan opstå på andre verdener.for tyve år siden udtrykte astronomer tillid til de tal, de havde arbejdet med. Nu, ikke så meget. Problemet ligger ikke i kosmos fjerneste hjørner, men meget tættere på hjemmet. Forbløffende ved forskere ikke nøjagtigt, hvad solen er lavet af., Som et resultat ved de heller ikke, hvad de andre stjerner er lavet af.

“solen er en grundlæggende målestok,” siger Martin Asplund, en astrofysiker ved Max Planck Institute for Astrophysics i Garching, Tyskland. “Når vi bestemmer overflod af et bestemt element i en stjerne eller en galakse eller en gassky overalt i universet, bruger vi solen som referencepunkt.”

det giver mening. Solen udgør 99,86 procent af solsystemets masse., Enhver meningsmåler, der hørte den samme procentdel af vælgerne, ville ikke have noget problem med at forudsige resultatet af det næste valg.

Solens placering i Mælkevejen gør det også til en god repræsentant for hele galaksen. Ligesom politiske holdninger varierer fra bykernen til landskabet, så skifter stjernernes overflod fra det galaktiske centrum til kanten, og solen er tilfældigvis i den perfekte position — omtrent halvvejs fra Mælkevejens centrum til kanten af dens stjerneskive — for at prøve hele galaksen.,

Derudover bor de fleste stjerner i universet i gigantiske galakser som Mælkevejen, hvilket gør solen til en berøringssten for hele kosmos.

Plus, solen er så lys, at astronomer kan studere detaljer om sit lys med udsøgt præcision. Det skulle give dem mulighed for at bestemme de nøjagtige forekomster af Solens kemiske elementer.

i næsten et århundrede har astronomer bedømt stjerner normale eller ej ved at se, om deres kemiske sammensætninger matcher solens. de fleste stjerner i nærheden af os gør; nogle gør det ikke.,

Det er derfor, den artikel om solens kemiske sammensætning af Asplund og hans kolleger i 2009 Årlig Gennemgang af Astronomi og Astrofysik har vundet mere end 4.000 akademiske citater fra andre forskere: Astronomerne hele tiden at sammenligne stjerner og galakser til solen. Det er den universelle standard.

men Asplunds arbejde er kontroversielt. Han og hans kolleger har brugt nye modeller til at analysere sollys og fundet drastisk lavere niveauer af de mest almindelige tunge elementer i solen — inklusive kulstof og ilt — sammenlignet med tidligere beregninger., (Astronomer kalder de fleste elementer tungere end helium “tung.”) Asplunds arbejde indebærer derfor, at de andre stjerner og faktisk hele kosmos har en meget mindre mængde tunge elementer end tidligere antaget.

Tag ilt. “Dette er det mest rigelige tunge element i universet,” siger Marc Pinsonneault, en astronom ved Ohio State University., Han har været kritiker af Asplunds tal, fordi de fører til konflikter med observationer af Solens indre.

“solen er en af de eneste måder, vi har til faktisk at måle, hvor meget ilt der er. Så hvis Asplund er korrekt … betyder det, at der er 40 procent mindre ilt i universets periode, fordi alle vores målinger bliver ganget med det, vi antager for solen, ” siger Pinsonneault.

kontroversen har varet i 20 år; ingen af siderne har givet efter for den anden. “Vi har ikke fundet svaret endnu,” siger Katharina Lodders, en kosmokemiker ved Universityashington University i St., Louis, der spår overflod fra meteoritter og kalder den mangeårige tvist frustrerende. “Jeg tror, at’ hvad mangler vi?’er en af de største udfordringer for forskere. Hvordan kan det være, at der er noget, vi ikke kan forklare? Der må være et svar.”

de lavere niveauer af ilt og andre tunge elementer, som Asplund går ind for, har forårsaget ikke kun usikkerhed, men også problemer. “Jeg mistænkte meget tidligt, at det ville føre til en konflikt,” siger han.

alligevel siger både Asplund og Pinsonneault, at debatten er en venlig., “Vi er meget uenige om den videnskabelige fortolkning,” siger Asplund, ” men vi er meget glade for at gå ud for en øl bagefter.”

heldigvis kan en række nuværende og fremtidige eksperimenter endelig løse sagen.

Oxygen: Et kritisk element

på Trods af kontroversen, alle er enige om det grundlæggende: solen består hovedsagelig af brint og helium, de to letteste grundstoffer. Det genererer energi i centrum gennem nukleare reaktioner, der omdanner brint til helium. Men på grund af Asplunds arbejde er mængderne af de næst mest rigelige elementer alle uenige.,

det betyder meget. O .ygen tegner sig for næsten halvdelen af alle tunge atomer i universet. De fleste af disse atomer sporer deres fødsel til stjerner meget mere massiv end solen. Sent i deres lyse, men korte liv smelter disse stjerner fire heliumkerner sammen for at skabe ilt. Stjernerne eksploderer til sidst og skyder det livgivende element væk. Kun en supernova kan skubbe mere ud end en solmasse af ilt. Hvis iltniveauet i solen og dermed hele universet er så lavt, som Asplund mener, har disse massive iltproducerende stjerner været meget mindre produktive, end man har troet.,

ilt er afgørende på måder både indlysende og ikke. Det indlysende: Vi har brug for ilt til at trække vejret. Jo mindre indlysende: mere end halvdelen af atomerne i klipperne under vores fødder er ilt. Og elementet spillede en vigtig rolle i dannelsen af alle planeterne i vores solsystem.,

o Oxygenygens kritiske betydning slutter ikke der. Der er trods alt et iltatom i hvert vandmolekyle. “Vand er afgørende for livet,” siger Lodders. “Vand var afgørende for at danne liv.”Så ingen ilt, intet vand og intet liv.

Fortsæt, wayay .ard sun

vidtrækkende, selvom det er, startede den simrende kontrovers over solens overflod af ilt og andre tunge elementer ved et uheld. I slutningen af 1990 ‘ erne ønskede Asplund at studere gamle stjerner, der kun havde en pittance af tunge elementer. Først troede han dog, at det var klogt at bedre fastslå solens sammensætning.,

for at gøre det udviklede han og hans kolleger nye modeller til at forklare solspektret, regnbuen med farver, som vores stjerne afgiver. Atomer af forskellige elementer absorberer forskellige bølgelængder af lys og producerer det, der kaldes spektrale linjer. Jo flere atomer af et bestemt element der findes på solens overflade, jo mere lys absorberer atomerne og jo stærkere spektrallinjerne. Spektrale linjer kan derved afsløre et elements overflod i forhold til brint, som er solens vigtigste ingrediens.,

fordi solen sætter standarden, kan forskere metaforisk se hele universet i en enkelt solstråle: ved at analysere solspektret kan de bestemme proportionerne af brint, kulstof, nitrogen og ilt gennem hele kosmos.

Asplunds nye modeller var meget mere sofistikerede end tidligere, undgår forenklinger og tilnærmelser. “Jeg havde ingen reel forventning om, at dette overhovedet ville ændre solens overflod,” siger han. “Det var lidt af et heldigt skud.”

i sine modeller tog hvert af universets fire mest rigelige tunge elementer et stort hit. Sammenlignet med tal, der blev offentliggjort 20 år tidligere, anbefalede 2009-artiklen af Asplund og kolleger kraftigt lavere værdier., De nye modeller skar det estimerede iltniveau i solen og dermed i universet med hele 42 procent. Carbon, en anden forudsætning for livet, faldt 26 procent, mens neon-og nitrogenniveauerne faldt henholdsvis 31 procent og 40 procent.

Ved alle beregninger tegner disse fire elementer sig for langt størstedelen (88 procent i Asplunds arbejde, lidt mere i andre tal) af alle tunge atomer i universet. Hvis Asplund havde ret, havde universet langt færre af dem, end nogen havde troet. Og det betød store problemer for modeller af solens interiør.,

inde i solen

tunge elementer som ilt ændrer Solens indre, fordi de absorberer stråling, når den vender sig udad fra solens kerne til overfladen. Ved hjælp af den gamle sol overflod, astronomer troede, de havde Solens indre regnet ud, takket være en teknik kendt som helioseismologi. Ligesom vores verden har Jordskælv, så Solens indre vibrerer med lydbølger. Og ligesom seismologer bruger jordskælv til at udlede strukturen i Jordens indre, så har vibrationerne, der kruser gennem solen, afsløret dens indre struktur.,i det meste af Solens indre springer stråling fra atom til atom og bærer langsomt varme fra kernen udad. I de yderste dele af solen er materialet imidlertid køligere og mere uigennemsigtigt, stort set fordi tunge elementer, såsom ilt, absorberer fotoner. Denne opacitet betyder, at fotoner ikke kan færge varme der. I stedet sætter en proces kaldet konvektion ind: varm gas stiger til soloverfladen, udstråler varme, køler derefter og synker ned igen. Du ser noget lignende, når du koger en gryde med vand.,

Helioseismologi peger på grænsen mellem solens strålende indre og dens konvektive konvolut. “Det viser sig som en fejl i lydbølgerne,” siger Pinsonneault. Som et resultat ved vi, at denne grænse forekommer nøjagtigt 71, 3 procent af solradiusen. Men hvis solen faktisk har mindre ilt, kulstof, neon og nitrogen, er Solens indre mindre uigennemsigtig, hvilket tillader stråling at bære varme længere fra Solens centrum, hvilket modsiger de helioseismologiske observationer., “Enten forstår vi ikke solen, eller de er forkerte,” sagde Pinsonneault på en 2011-tale, hvor han favoriserede en højere iltmængde.

alligevel anerkender Pinsonneault, at Asplunds nye modeller er bedre end tidligere, og deres genbestemmelse af soloverskuddene skal være gyldig. For det første tager Asplunds modeller hensyn til konvektion, som tidligere arbejde havde forsømt. Hans team erkendte også, at en rød spektrallinje, der angiveligt opstod fra ilt, faktisk er en blanding af ilt og nikkel; subtrahering af nikkels bidrag førte til en lavere iltmængde.

meget af problemet stammer fra selve o .ygenatomet. “Det er bare et problem barn,” siger Pinsonneault., “Det har altid været et problembarn.”

almindelig selvom ilt er, producerer det få spektrale linjer i sollys, som alle er svære at analysere, så elementet efterlader få spor til dets overflod. “Derimod er alle enige om soljernets overflod,” siger Pinsonneault. Det skyldes, at jern producerer en overflod af spektrale linjer, der er modne til analyse.som Lodders kalder Pinsonneault den tilsyneladende evige tvist frustrerende. “Det har været overraskende svært at få nye oplysninger til at løse problemet,” siger han. “Vi har bare brug for nye data for at kunne knække dette.,”

noget nyt under solen

heldigvis kommer friske data snart. I laboratoriet kan fysikere måle opacitet af forskellige elementer ved at udsætte dem for de hårde temperaturer, der hersker inde i solen. I de seneste år, har forskerne lokkede disse eksperimenter til endnu højere temperaturer — varmt nok til at undersøge betingelser, der svarer til dem, dybt under solens overflade, på den konvektive-radiative grænse — og i plasmaer tilstrækkelig stor og lang levetid til at give nøjagtige tal.,i 2015 rapporterede Jim Bailey, en eksperimentel fysiker ved Sandia National Laboratories, og hans kolleger, at opaciteten af jern i solen faktisk er højere end forventet. “Vores resultat gjorde astronomisamfundet temmelig lykkeligt, “siger han,” fordi det betyder, at der i det mindste er et håb om, at de kan forene det, de synes er de bedste overflodestimater med standard solmodel og med helioseismologi.”

Bailey har nu vendt sin opmærksomhed mod ilt og forventer hans første resultater på tre år., Hvis ilt viser sig at være mere uigennemsigtig end i øjeblikket beregnet, behøver solen ikke så meget af elementet for at opretholde den observerede placering af den strålingskonvektive grænse. Det kunne eliminere uoverensstemmelsen mellem de nye solforekomster og helioseismologi.

i mellemtiden peger både Asplund og Pinsonneault på en anden lovende løsning. Når solens kerne genererer energi, udsender den neutrinoer, spøgelsespartikler, der glider væk og når jorden omkring otte minutter senere. Igangværende undersøgelser af disse neutrinoer bør tilbyde en ny måde at estimere elementære mængder på., Det skyldes, at visse neutrinoer opstår i en proces, der bruger kulstof, nitrogen og ilt som katalysatorer til at omdanne brint til helium.1 procent af solens energi, men jo mere kulstof, nitrogen og ilt solen virkelig har, jo flere af disse CNO-neutrinoer skal eksistere. For seks år siden brugte fysikere bore .ino-eksperimentet i Italien til at detektere neutrinoer fra solens vigtigste nukleare reaktion., I denne uge meddelte bore .ino-forskerne, at det samme eksperiment har hentet CNO-neutrinerne, hvilket betyder, at det kun er et spørgsmål om tid, indtil de hjælper med at afsløre solens overflod.CNO-cyklussen genererer kun 1 procent af solens energi, men kan en dag afsløre, hvor meget kulstof, nitrogen og ilt solen indeholder. I denne komplekse cyklus katalyserer kulstof -, nitrogen-og iltkerner hydrogen-til-helium-kernereaktionen, men bliver ikke brugt op i processen. CNO-cyklussen omdanner fire protoner til en heliumkerne, der skaber energi og udsender to neutrinoer (magenta)., Fysikere meddelte for nylig, at de havde været i stand til at opdage denne type neutrino for første gang.

den endelige dom?

Lodders bemærker en anden grund til håb. Engang argumenterede astronomer over den kosmiske jernoverflod: solspektret gav et andet niveau end meteoritter gjorde. “Det var et stort mysterium i lang tid,” siger hun. Debatten sluttede, da astronomer brugte nyligt målte atomparametre for jern og reviderede deres beregninger af soljernets overflod, der berettigede det meteoritiske resultat.,Asplund forventer, at de igangværende opacitet og neutrino-eksperimenter løser kontroversen. “Jeg ville ikke satse mit hus på det, “siger han,” men jeg ville være meget skuffet, hvis vi faktisk ikke ved, hvad svaret er om 10 år.”

denne artikel blev oprindeligt vist i kno .able Maga .ine, en uafhængig journalistisk indsats fra årlige anmeldelser.