Astronomen wissen immer noch nicht genau, woraus die Sonne besteht

Wenn Astronomen in die Tiefen des Weltraums blicken, tun sie dies mit Unbehagen: Sie wissen nicht genau, woraus das Universum besteht.

Es ist nicht nur die wahre Natur der dunklen Materie, die sich ihnen entzieht; ebenso wie die Essenz der Sterne, die den Himmel sprengen und die vielen Galaxien im gesamten Kosmos bevölkern., Überraschenderweise kennt niemand die genaue chemische Zusammensetzung der Sterne: Wie viele Kohlenstoff -, Stickstoff-und Sauerstoffatome haben sie im Vergleich zu Wasserstoff, dem häufigsten Element?

Diese Zahlen sind entscheidend, weil sie beeinflussen, wie Sterne leben und sterben, welche Arten von Planeten sich bilden und wie leicht Leben auf anderen Welten entstehen kann.

Vor zwanzig Jahren äußerten Astronomen Vertrauen in die Zahlen, mit denen sie gearbeitet hatten. Nun, nicht so sehr. Das Problem liegt nicht in den fernen Ecken des Kosmos, sondern viel näher zu Hause. Erstaunlicherweise wissen Wissenschaftler nicht genau, woraus die Sonne besteht., Daher wissen sie auch nicht, woraus die anderen Sterne bestehen.

„Die Sonne ist ein grundlegender Maßstab“, sagt Martin Asplund, Astrophysiker am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching. „Wenn wir die Häufigkeit eines bestimmten Elements in einem Stern oder einer Galaxie oder einer Gaswolke irgendwo im Universum bestimmen, verwenden wir die Sonne als Bezugspunkt.“

Das macht Sinn. Die Sonne macht 99,86 Prozent der Masse des Sonnensystems aus., Jeder Umfrageteilnehmer, der den gleichen Prozentsatz der Wähler konsultierte, hätte kein Problem damit, das Ergebnis der nächsten Wahl vorherzusagen.

Die Lage der Sonne in der Milchstraße macht sie auch zu einem guten Vertreter der gesamten Galaxie. So wie die politischen Meinungen vom städtischen Kern bis zum Land variieren, ändern sich die Sternfüllungen vom galaktischen Zentrum zum Rand, und die Sonne ist zufällig in der perfekten Position — etwa auf halbem Weg vom Zentrum der Milchstraße bis zum Rand ihrer Sternscheibe — um die ganze Galaxie zu probieren.,

Darüber hinaus befinden sich die meisten Sterne im Universum in riesigen Galaxien wie der Milchstraße, was die Sonne zu einem Prüfstein für den gesamten Kosmos macht.

Außerdem ist die Sonne so hell, dass Astronomen Details ihres Lichts mit exquisiter Präzision untersuchen können. Das sollte es ihnen ermöglichen, die genauen Abundanzen der chemischen Elemente der Sonne zu bestimmen.

Seit fast einem Jahrhundert beurteilen Astronomen Sterne normal oder nicht, indem sie sehen, ob ihre chemischen Zusammensetzungen mit der Sonne übereinstimmen.Die meisten Sterne in unserer Nähe tun es; einige nicht.,

Deshalb hat der Artikel über die chemische Zusammensetzung der Sonne von Asplund und seinen Kollegen im 2009 Annual Review of Astronomy and Astrophysics mehr als 4,000 wissenschaftliche Zitate von Wissenschaftlern gesammelt: Astronomen vergleichen ständig Sterne und Galaxien mit der Sonne. Es ist der Universelle standard.

Aber Asplunds Arbeit ist umstritten. Er und seine Kollegen haben neue Modelle zur Analyse des Sonnenlichts verwendet und im Vergleich zu früheren Berechnungen drastisch niedrigere Werte der häufigsten schweren Elemente in der Sonne — einschließlich Kohlenstoff und Sauerstoff — festgestellt., (Astronomen nennen die meisten Elemente schwerer als Helium “ schwer.“) Asplunds Arbeit impliziert daher, dass die anderen Sterne und tatsächlich der gesamte Kosmos eine viel geringere Menge schwerer Elemente enthalten als bisher angenommen.

Nimm Sauerstoff. „Dies ist das am häufigsten vorkommende schwere Element im Universum“, sagt Marc Pinsonneault, Astronom an der Ohio State University., Er war ein Kritiker von Asplunds Zahlen, weil sie zu Konflikten mit Beobachtungen des Sonneninneren führen.

“ Die Sonne ist eine der wenigen Möglichkeiten, wie wir tatsächlich messen können, wie viel Sauerstoff es gibt. Wenn Asplund also richtig ist … bedeutet das, dass es 40 Prozent weniger Sauerstoff in der Universumperiode gibt, weil alle unsere Messungen mit dem multipliziert werden, was wir für die Sonne annehmen“, sagt Pinsonneault.

Die Kontroverse hält seit 20 Jahren an; keine Seite hat der anderen nachgegeben. „Wir haben die Antwort noch nicht gefunden,“ Sagt Katharina Lodders, Kosmochemiker an der Washington University in St., Louis, der sich von Meteoriten trennt und den langjährigen Streit als frustrierend bezeichnet. „Ich denke, die ‚Was fehlt uns?“ist eine der größten Herausforderungen für Wissenschaftler. Wie kann das sein, dass es etwas gibt, das wir nicht erklären können? Es muss eine Antwort geben.“

Die niedrigeren Sauerstoff-und anderen schweren Elemente, die Asplund befürwortet, haben nicht nur Unsicherheit, sondern auch Ärger verursacht. „Ich habe sehr früh vermutet, dass es zu einem Konflikt kommen würde“, sagt er.

Doch sowohl Asplund als auch Pinsonneault sagen, dass die Debatte freundlich ist., „Wir sind in der wissenschaftlichen Interpretation sehr anderer Meinung“, sagt Asplund, “ aber wir sind sehr glücklich, danach ein Bier zu trinken.“

Glücklicherweise können eine Vielzahl aktueller und zukünftiger Experimente die Angelegenheit endgültig lösen.

Sauerstoff: Ein kritisches Element

Trotz der Kontroverse sind sich alle einig über die Grundlagen: Die Sonne besteht hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium, den beiden leichtesten Elementen. Es erzeugt Energie in seinem Zentrum durch Kernreaktionen, die Wasserstoff in Helium umwandeln. Aber wegen Asplunds Arbeit sind die Mengen der nächsthäufigsten Elemente alle umstritten.,

Es ist enorm wichtig. Sauerstoff macht fast die Hälfte aller schweren Atome im Universum aus. Die meisten dieser Atome verfolgen ihre Geburt zu Sternen viel massiver als die Sonne. Spät in ihrem hellen, aber kurzen Leben verschmelzen diese Sterne vier Heliumkerne zu Sauerstoff. Die Sterne explodieren schließlich und schießen das lebensspendende Element weg. Nur eine Supernova kann mehr als eine Sonnenmasse Sauerstoff ausstoßen. Wenn der Sauerstoffgehalt in der Sonne und damit im gesamten Universum so niedrig ist, wie Asplund glaubt, waren diese massiven Sauerstoff produzierenden Sterne viel weniger produktiv als gedacht.,

Sauerstoff ist auf offensichtliche und nicht offensichtliche Weise lebenswichtig. Das Offensichtliche: Wir brauchen Sauerstoff zum Atmen. Das weniger Offensichtliche: Mehr als die Hälfte der Atome in den Gesteinen unter unseren Füßen sind Sauerstoff. Und das Element spielte eine wichtige Rolle bei der Bildung aller Planeten in unserem Sonnensystem.,

Die kritische Bedeutung von Sauerstoff endet nicht dort. Schließlich ist in jedem Wassermolekül ein Sauerstoffatom. „Wasser ist lebensnotwendig“, sagt Lodders. „Wasser war essentiell für unser Leben.“Also kein Sauerstoff, kein Wasser und kein Leben.

Mach weiter, wayward sun

Weitreichend obwohl es ist, begann die schwelende Kontroverse über die Fülle an Sauerstoff und anderen schweren Elementen der Sonne durch Zufall. In den späten 1990er Jahren wollte Asplund alte Sterne studieren, die nur einen Hungerlohn von schweren Elementen hatten. Zunächst hielt er es jedoch für ratsam, die Zusammensetzung der Sonne besser zu ermitteln.,

Dazu entwickelten er und seine Kollegen neue Modelle, um das Sonnenspektrum zu erklären, den Regenbogen der Farben, den unser Stern abgibt. Atome verschiedener Elemente absorbieren unterschiedliche Lichtwellenlängen und erzeugen so genannte Spektrallinien. Je mehr Atome eines bestimmten Elements auf der Sonnenoberfläche vorhanden sind, desto mehr Licht absorbieren die Atome und desto stärker sind die Spektrallinien. Spektrallinien können dadurch die Fülle eines Elements relativ zu Wasserstoff, dem Hauptbestandteil der Sonne, offenbaren.,

Da die Sonne den Standard setzt, können Wissenschaftler metaphorisch das gesamte Universum in einem einzigen Sonnenstrahl sehen: Durch die Analyse des Sonnenspektrums können sie die Anteile von Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff im gesamten Kosmos bestimmen.

Asplunds neue Modelle waren viel ausgefeilter als die vorherigen und verzichteten auf Vereinfachungen und Annäherungen. „Ich hatte keine wirkliche Erwartung, dass sich dadurch die Sonnenhäufigkeit überhaupt ändern würde“, sagt er. „Es war eine Art Glücksschuss.“

In seinen Modellen traf jedes der vier am häufigsten vorkommenden schweren Elemente des Universums einen großen Hit. Im Vergleich zu Zahlen, die 20 Jahre zuvor veröffentlicht wurden, empfahl der Artikel von Asplund und Kollegen aus dem Jahr 2009 deutlich niedrigere Werte., Die neuen Modelle senkten den geschätzten Sauerstoffgehalt in der Sonne und damit im Universum um satte 42 Prozent. Kohlenstoff, eine weitere Voraussetzung für das Leben, sank um 26 Prozent, während der Neon-und Stickstoffgehalt um 31 Prozent bzw.

Nach allen Berechnungen machen diese vier Elemente die überwiegende Mehrheit (88 Prozent in Asplunds Arbeit, etwas mehr in anderen Zahlen) aller schweren Atome im Universum aus. Wenn Asplund Recht hatte, hatte das Universum weit weniger von ihnen, als irgendjemand gedacht hatte. Und das bedeutete große Probleme für Modelle des Sonneninterieurs.,

In der Sonne

Schwere Elemente wie Sauerstoff verändern das Innere der Sonne, weil sie Strahlung absorbieren, wenn sie sich vom Sonnenkern nach außen zur Oberfläche bewegt. Mit den alten Sonnenhäufigkeiten dachten Astronomen, sie hätten das Innere der Sonne herausgefunden, dank einer Technik, die als Helioseismologie bekannt ist. So wie unsere Welt Erdbeben hat, so vibriert das Innere der Sonne mit Schallwellen. Und so wie Seismologen Beben verwenden, um die Struktur des Erdinneren abzuleiten, so haben die Schwingungen, die durch die Sonne plätschern, ihre innere Struktur offenbart.,

Zum Beispiel springt Strahlung im größten Teil des Sonneninneren von Atom zu Atom und trägt langsam Wärme vom Kern nach außen. In den äußersten Teilen der Sonne ist das Material jedoch kühler und undurchsichtiger, vor allem, weil schwere Elemente wie Sauerstoff Photonen absorbieren. Diese Deckkraft bedeutet, dass Photonen dort keine Wärme abgeben können. Stattdessen setzt ein Prozess namens Konvektion ein: Heißes Gas steigt an die Sonnenoberfläche, strahlt Wärme ab, kühlt dann ab und sinkt wieder ab. Sie sehen etwas Ähnliches, wenn Sie einen Topf Wasser kochen.,

Die Helioseismologie bestimmt die Position der Grenze zwischen dem strahlenden Inneren der Sonne und ihrer konvektiven Hülle. „Das zeigt sich als eine Panne in den Schallwellen“, sagt Pinsonneault. Als Ergebnis wissen wir, dass diese Grenze bei genau 71,3 Prozent des Sonnenradius auftritt. Aber wenn die Sonne tatsächlich weniger Sauerstoff, Kohlenstoff, Neon und Stickstoff hat, dann ist das Innere der Sonne weniger undurchsichtig, so dass Strahlung Wärme weiter vom Zentrum der Sonne tragen kann, was den helioseismologischen Beobachtungen widerspricht., „Entweder verstehen wir die Sonne nicht oder die liegen falsch“, sagte Pinsonneault bei einem Gespräch 2011, bei dem er einen höheren Sauerstoffüberfluss bevorzugte.

Dennoch räumt Pinsonneault ein, dass die neuen Modelle von Asplund früheren überlegen sind und ihre Neubestimmung der Sonnenabundanzen gültig sein sollte. Zum einen berücksichtigen Asplunds Modelle die Konvektion, die frühere Arbeiten vernachlässigt hatten. Sein Team erkannte auch, dass eine rote Spektrallinie, die angeblich aus Sauerstoff entstand, tatsächlich eine Mischung aus Sauerstoff und Nickel ist; Das Subtrahieren des Nickelbeitrags führte zu einer geringeren Sauerstofffülle.

Ein Großteil des Problems stammt aus dem Sauerstoffatom selbst. „Es ist nur ein Problemkind“, sagt Pinsonneault., „Es war schon immer ein Sorgenkind.“

Üblich obwohl Sauerstoff ist, erzeugt er im Sonnenlicht nur wenige Spektrallinien, die alle schwer zu analysieren sind, so dass das Element nur wenige Hinweise auf seine Fülle hinterlässt. „Im Gegensatz dazu sind sich alle einig über den solaren Eisenreichtum“, sagt Pinsonneault. Das liegt daran, dass Eisen eine Fülle von Spektrallinien erzeugt, die für die Analyse reif sind.

Wie Lodders nennt Pinsonneault den scheinbar ewigen Streit frustrierend. „Es war überraschend schwierig, neue Informationen zu erhalten, um das Problem zu lösen“, sagt er. „Wir brauchen nur neue Daten, um das zu knacken.,“

Etwas Neues unter der Sonne

Zum Glück werden bald neue Daten kommen. Im Labor können Physiker die Trübungen verschiedener Elemente messen, indem sie sie den heißen Temperaturen aussetzen, die in der Sonne herrschen. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler diese Experimente auf noch höhere Temperaturen gebracht-heiß genug, um ähnliche Bedingungen wie tief unter der Sonnenoberfläche an der konvektiv — strahlenden Grenze zu untersuchen-und in Plasmen, die ausreichend groß und langlebig sind, um genaue Zahlen zu liefern.,

Im Jahr 2015 berichteten Jim Bailey, Experimentalphysiker an den Sandia National Laboratories, und seine Kollegen, dass die Opazität von Eisen in der Sonne tatsächlich höher ist als erwartet. „Unser Ergebnis hat die Astronomie-Community ziemlich glücklich gemacht“, sagt er, “ weil es bedeutet, dass es zumindest eine Hoffnung gibt, dass sie das, was sie für die besten Abundanzschätzungen halten, mit dem Standard-Solarmodell und mit der Helioseismologie in Einklang bringen können.“

Bailey hat jetzt seine Aufmerksamkeit auf Sauerstoff gerichtet und erwartet seine ersten Ergebnisse in drei Jahren., Wenn sich Sauerstoff als undurchsichtiger erweist als derzeit berechnet, benötigt die Sonne nicht so viel von dem Element, um den beobachteten Ort der strahlungskonvektiven Grenze beizubehalten. Das könnte die Diskrepanz zwischen den neuen Sonnenhäufigkeiten und der Helioseismologie beseitigen.

In der Zwischenzeit weisen sowohl Asplund als auch Pinsonneault auf eine weitere vielversprechende Lösung hin. Während der Kern der Sonne Energie erzeugt, emittiert er Neutrinos, gespenstische Teilchen, die wegziehen und etwa acht Minuten später die Erde erreichen. Laufende Studien dieser Neutrinos sollten einen neuen Weg zur Schätzung elementarer Abundanzen bieten., Das liegt daran, dass bestimmte Neutrinos in einem Prozess entstehen, der Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff als Katalysatoren verwendet, um Wasserstoff in Helium umzuwandeln.

Dieser CNO-Zyklus erzeugt nur etwa 1 Prozent der Sonnenenergie, aber je mehr Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff die Sonne wirklich hat, desto mehr dieser CNO-Neutrinos sollten existieren. Vor sechs Jahren nutzten Physiker das Borexino-Experiment in Italien, um Neutrinos aus der Hauptkernreaktion der Sonne zu detektieren., Diese Woche gaben die Borexino-Forscher bekannt, dass dasselbe Experiment die CNO-Neutrinos aufgenommen hat, was bedeutet, dass es nur eine Frage der Zeit ist, bis sie dazu beitragen, die Sonnenhäufigkeit zu enthüllen.

Das endgültige Urteil?

Lodders sieht einen weiteren Grund zur Hoffnung. Es war einmal, Astronomen stritten sich über die kosmische Eisenfülle: Das Sonnenspektrum ergab ein anderes Niveau als die Meteoriten. „Es war lange Zeit ein großes Rätsel“, sagt sie. Die Debatte endete, als Astronomen neu gemessene atomare Parameter für Eisen verwendeten und ihre Berechnungen des solaren Eisenüberflusses revidierten, um das meteoritische Ergebnis zu bestätigen.,

Asplund erwartet, dass die laufenden Opazität und Neutrino-Experimente die Kontroverse zu lösen. „Ich würde mein Haus nicht darauf wetten“, sagt er, “ aber ich wäre sehr enttäuscht, wenn wir in 10 Jahren nicht wirklich wissen, was die Antwort ist.“

Dieser Artikel erschien ursprünglich im Knowable Magazine, einem unabhängigen journalistischen Unternehmen aus jährlichen Rezensionen.