Kuten tähtitieteilijät katse syvyyksiin tilaa, he tekevät niin levottomuutta: He eivät tiedä tarkasti, mistä maailmankaikkeus on tehty.

Se ei ole vain todellisen luonteen pimeä aine, joka pakenee niitä, niin ei pohjimmiltaan tähdet, jotka pilkku taivas ja kansoittavat monia galakseja, koko kosmoksen., Yllättävää kyllä, kukaan ei tiedä tähtien tarkkaa kemiallista koostumusta: kuinka monta hiili -, typpi-ja happiatomia niillä on suhteessa vetyyn, joka on yleisin alkuaine.

Nämä luvut ovat tärkeitä, koska ne vaikuttavat siihen, miten tähdet elävät ja kuolevat, millaisia planeettoja muodossa ja vaikka kuinka helposti elämä saattaa syntyä muissa maailmoissa.

kaksikymmentä vuotta sitten tähtitieteilijät ilmaisivat luottamuksensa niihin lukuihin, joiden kanssa he olivat työskennelleet. Ei niinkään. Ongelma ei ole kosmoksen kaukaisissa nurkissa, vaan paljon lähempänä kotia. Hämmästyttävää kyllä, tiedemiehet eivät tiedä tarkalleen, mistä aurinko on tehty., Tämän seurauksena he eivät myöskään tiedä, mistä muut tähdet on tehty.

Vaikka aurinko on tarkka hapen runsaus on kiistanalainen, kukaan ei kiistä, että tähdet paljon enemmän massiivinen kuin aurinko — samanlainen kirkkaimmat tähdet nyt on syntynyt Orion Nebula (kuvassa) — taottu useimmat happea löytyi tänään Maan päällä ja koko maailmankaikkeus. Luotto: NASA / ESA / M., ROBBERTO (SPACE TELESCOPE SCIENCE INSTITUTE/ESA) JA HUBBLE SPACE TELESCOPE ORION TREASURY projektiryhmä

”aurinko on tärkeä mittapuu”, sanoo Martin Asplundin, astrofyysikko Max Planck Institute for Astrophysics Garchingissa, Saksassa. ”Kun määritämme tietyn alkuaineen runsauden tähdessä tai galaksissa tai kaasupilvessä missä tahansa maailmankaikkeudessa, käytämme aurinkoa vertailupisteenä.”

se on järkevää. Aurinko muodostaa 99,86 prosenttia aurinkokunnan massasta., Kaikilla äänestäjillä, jotka kuulivat samaa prosenttiosuutta äänestäjistä, ei olisi mitään ongelmaa ennustaa seuraavien vaalien tulosta.

Auringon sijainti Linnunradassa tekee siitä myös koko galaksin hyvän edustajan. Aivan kuten poliittiset mielipiteet vaihtelevat urban core maaseudulle, joten tähtien runsaus muutos galaktinen keskus reunaan, ja aurinko sattuu olemaan erinomainen kanta — noin puolivälissä päässä Linnunradan keskustasta reunaan sen levyn tähteä — näyte koko galaksin.,

Mitä enemmän, eniten tähtiä maailmankaikkeudessa asuvat jättiläinen galakseja, kuten Linnunradan, joka tekee aurinko koetinkivi koko kosmoksen.

Plus, aurinko on niin kirkas, että tähtitieteilijät voivat tutkia yksityiskohtia sen valo hieno tarkkuus. Sen avulla he voivat määrittää auringon kemiallisten alkuaineiden tarkat pitoisuudet.

lähes sata vuotta, tähtitieteilijät ovat todenneet tähteä normaali tai ei nähdä, onko niiden kemialliset koostumukset vastaavat auringon. Eniten tähtiä lähellä meitä, jotkut eivät.,

siksi artikkeli aurinko on kemiallinen koostumus, jonka Asplundin ja hänen kollegansa vuonna 2009 vuosikertomus Tähtitieteen ja Astrofysiikan on kerännyt yli 4000 akateeminen lainaukset muilta tutkijat: Tähtitieteilijät jatkuvasti verrata tähdet ja galaksit, aurinko. Se on yleinen standardi.

mutta Asplundin teos on kiistanalainen. Hän on kollegoineen käyttänyt uusia malleja analysoidakseen auringonvaloa ja löytänyt aikaisempiin laskelmiin verrattuna huomattavasti alhaisemmat tasot auringon yleisimmistä raskaista alkuaineista — myös hiilestä ja hapesta., (Tähtitieteilijät kutsuvat useimpia heliumia raskaampia alkuaineita ” raskaiksi.”) Asplundin työ siis edellyttää, että muut tähdet ja koko kosmos on paljon pienempi määrä raskaita alkuaineita kuin aiemmin luultiin.

Kuinka paljon neljä yleisintä raskaita elementtejä — happi, hiili, neon ja typpeä — ei sun sisällä? Tämä kaavio osoittaa, suhteellinen runsaus kymmeniä elementtejä (siniset pisteet, yleisin elementtejä merkitty), joka ilmaistaan logaritmisella asteikolla, jossa numero vetyatomit on asetettu 12., (Alkuaine, jossa on runsaasti 11, on kymmenesosa yhtä yleinen kuin vety; jos 10, se on sadasosa yhtä yleinen; ja niin edelleen.) Vuonna 1989, standardi hapen runsaus oli 8.93, mikä tarkoitti, että siellä oli 1,175 vetyatomia jokaista happea atom. Vuonna 2009, kuitenkin, Martin Asplundin suosi happea runsaasti vain 8.69, mikä tarkoitti, että siellä oli 2,042 vetyatomia jokaista happea atom. Myös hiilen, typen ja neonin arvioitu runsaus syöksyi.

ota happea. ”Tämä on maailmankaikkeuden runsain raskas alkuaine”, sanoo Ohion osavaltionyliopiston tähtitieteilijä Marc Pinsonneault., Hän on kritisoinut Asplundin lukuja, koska ne johtavat ristiriitoihin auringon sisätiloja koskevien havaintojen kanssa.

”aurinko on yksi ainoa tapa, jolla voimme todella mitata, kuinka paljon happea on. Joten jos Asplundin on oikea, se on 40 prosenttia vähemmän happea maailmankaikkeudessa aikana, koska kaikki mittaukset päästä kerrottuna, mitä oletamme, aurinko,” Pinsonneault sanoo.

kohu on kestänyt jo 20 vuotta; kumpikaan osapuoli ei ole taipunut toiselle. ”Emme ole vielä löytäneet vastausta”, sanoo Katharina Lodders, kosmokemisti Washingtonin yliopistosta St., Louis, joka paljastaa runsaasti meteoriitteja ja kutsuu pitkään jatkunutta kiistaa turhauttavaksi. ”Luulen, että’ mitä meiltä puuttuu?”on yksi suurimmista haasteista tiedemiehille. Miten se on mahdollista, että on jotain, mitä emme voi selittää? Siihen täytyy olla vastaus.”

Asplundin kannattajien matalammat happipitoisuudet ja muut raskaat elementit ovat aiheuttaneet paitsi epävarmuutta myös ongelmia. ”Epäilin hyvin varhain, että se johtaisi konfliktiin”, hän sanoo.

kuitenkin sekä Asplund että Pinsonneault sanovat, että keskustelu on ystävällistä., ”Olemme hyvin vahvasti eri mieltä tieteellisestä tulkinnasta”, Asplund sanoo, ” mutta lähdemme hyvin mielelläni sen jälkeen oluelle.”

onneksi erilaiset nykyiset ja tulevat kokeilut saattavat lopulta ratkaista asian.

Happi: kriittinen elementti

Huolimatta kiista, kaikki ovat yhtä mieltä siitä, että perusasiat: aurinko koostuu pääasiassa vedystä ja heliumista, kaksi kevyin elementtejä. Se tuottaa energiaa keskuksessaan ydinreaktioilla, jotka muuttavat vedyn heliumiksi. Asplundin työn vuoksi seuraavaksi runsaimpien elementtien määrät ovat kuitenkin kiistassa.,

sillä on valtava merkitys. Hapen osuus maailmankaikkeuden raskaista atomeista on lähes puolet. Useimmat näistä atomeista jäljittävät syntymänsä aurinkoa paljon massiivisemmiksi tähdiksi. Valoisan mutta lyhyen elämänsä loppupuolella nämä tähdet sulattavat neljä heliumytintä yhteen tehdäkseen happea. Tähdet lopulta räjähtävät ja ampuvat elämää antavan elementin pois. Vain yksi supernova voi poistaa enemmän kuin auringon massa happea. Jos auringon ja siten koko maailmankaikkeuden happitaso on Asplundin mielestä niin alhainen, nämä massiiviset happea tuottavat tähdet ovat olleet paljon vähemmän tuotteliaita kuin on ajateltu.,

Lähes puolet kaikista raskaita atomeja ovat happi (mitattuna määrä atomeja, ei painosta). Ja vain neljä alkuainetta — happi, hiili, neon ja typpi — muodostavat 88 prosenttia kaikista raskaista atomeista, mutta niiden tarkka määrä suhteessa vetyyn on ollut kiistanalainen.

happi on elintärkeä tavalla, joka on sekä ilmeinen että ei. Ilmiselvä: tarvitsemme happea hengittääksemme. Vähemmän ilmeinen: yli puolet jalkojemme alla olevien kivien atomeista on happea. Alkuaineella oli tärkeä rooli aurinkokuntamme kaikkien planeettojen muodostumisessa.,

Happeen kriittinen merkitys ei lopu siihen. Onhan jokaisessa vesimolekyylissä happiatomi. ”Vesi on välttämätöntä elämälle”, Lodders sanoo. ”Vesi oli välttämätöntä elämän muodostamiseksi.”Joten ei happea, ei vettä eikä elämää.

jatkakaa, itsepäinen aurinko

kauaskantoisia vaikka se on kytevän kiista sun on runsaasti happea ja muita raskaita alkuaineita alkoi vahingossa. 1990-luvun lopulla Asplund halusi tutkia muinaisia tähtiä, joissa oli vain hitunen raskaita alkuaineita. Ensin hänen mielestään oli kuitenkin viisasta selvittää paremmin auringon koostumus.,

Voit tehdä niin, hän ja hänen kollegansa kehitetty uusia malleja selittämään auringon spektrin, sateenkaaren värejä meidän tähti antaa pois. Eri alkuaineiden atomit absorboivat valon eri aallonpituuksia tuottaen niin sanottuja spektriviivoja. Mitä enemmän auringon pinnalla on tietyn alkuaineen atomeja, sitä enemmän atomit imevät valoa itseensä ja mitä voimakkaampia spektriviivat ovat. Spektriviivat voivat siten paljastaa alkuaineen runsauden suhteessa vetyyn, joka on auringon tärkein ainesosa.,

Koska aurinko asettaa standardin, tutkijat voivat metaforisesti nähdä koko maailmankaikkeuden yhtenä sunbeam: analysoimalla auringon spektrin, he voivat määrittää verran vetyä, hiiltä, typpeä ja happea koko kosmoksen.

Asplundin uudet mallit olivat paljon kehittyneempiä kuin aiemmat, karttaen yksinkertaistuksia ja approksimaatioita. ”Minulla ei ollut mitään todellista odotusta, että tämä muuttaisi auringon runsautta ollenkaan”, hän sanoo. ”Se oli tavallaan onnenpotku.”

the solar spectrum (esitetty) voidaan analysoida paljastamaan johtolankoja auringon meikistä., Auringon pinnalla olevat atomit absorboivat tiettyjä värejä, jolloin havaitussa spektrissä on tummia spektriviivoja. Jokaisen rivin vahvuus kertoo elementaalisesta runsaudesta. Deep Purplen h-ja K-linjat syntyvät kalsiumista, keltaoranssien d-viivojen pari natriumista ja punainen C-viiva vedystä. Hapen spektriviivoja on vaikea analysoida.

hänen malleissaan jokainen maailmankaikkeuden neljästä runsaimmasta raskaasta alkuaineesta otti suuren hitin. Verrattuna 20 vuotta aiemmin julkaistuihin lukuihin, Asplundin ja kollegoiden vuonna 2009 julkaisema artikkeli suositteli huomattavasti alhaisempia arvoja., Uudet mallit leikkasivat arvioitua happitasoa auringossa ja sitä kautta maailmankaikkeudessa huimat 42 prosenttia. Hiili, toinen elämän edellytys, laski 26 prosenttia, kun taas neon ja typen tasot romahti 31 prosenttia ja 40 prosenttia vastaavasti.

kaikkien laskelmien mukaan nämä neljä alkuainetta muodostavat suurimman osan (88 prosenttia Asplundin teoksessa, hieman enemmän muissa luvuissa) kaikista maailmankaikkeuden raskaista atomeista. Jos Asplund oli oikeassa, maailmankaikkeudessa heitä oli paljon vähemmän kuin kukaan oli ajatellut. Se merkitsi valtavia ongelmia auringon sisustusmalleille.,

Sisällä aurinko

Raskaat alkuaineet, kuten happi muuttaa sun sisustus, koska ne imevät säteilyä, koska se wends tiensä ulospäin auringon ydin pintaan. Vanhojen auringon pitoisuuksien avulla tähtitieteilijät luulivat saaneensa selville auringon sisustuksen helioseismologiana tunnetun tekniikan ansiosta. Aivan kuten maailmassamme on maanjäristyksiä, niin auringon sisuskalusto värähtelee ääniaalloilla. Ja aivan kuten seismologit käyttävät järistyksiä päätellä rakenteen Maapallon sisustus, joten tärinää solinaa kautta aurinko on paljastanut sen sisäinen rakenne.,

esimerkiksi suurimmassa osassa auringon sisätiloja säteily pomppii atomista atomiin kantaen hitaasti lämpöä ytimestä ulospäin. Auringon uloimmissa osissa materiaali on kuitenkin viileämpää ja läpinäkymättömämpää, paljolti siksi, että raskaat alkuaineet, kuten happi, absorboivat fotoneja. Tämä läpinäkymättömyys tarkoittaa, että fotonit eivät voi siirtää lämpöä sinne. Sen sijaan konvektioksi kutsuttu prosessi sijoittuu: kuuma kaasu nousee auringon pinnalle, säteilee lämpöä, sitten jäähtyy ja uppoaa takaisin alas. Jotain vastaavaa näkee, kun keittää kattilallisen vettä.,

Helioseismologia määrittää auringon säteilevän sisäosan ja sen konvektiivisen kuoren välisen rajan sijainnin. ”Se näkyy häiriönä ääniaalloissa”, Pinsonneault sanoo. Tämän seurauksena tiedämme, että tämä raja tapahtuu tarkalleen 71,3 prosenttia auringon säteestä. Mutta jos aurinko todella on vähemmän happea, hiiltä, neon ja typpeä, sitten sun sisustus on vähemmän läpinäkymätön, jolloin säteily kuljettaa lämpöä kauempana aurinko on keskus, ristiriitaisia helioseismological havaintoja., ”Joko emme ymmärrä, aurinko tai ovat väärässä,” Pinsonneault sanoi 2011 puheesta, jossa hän suosi enemmän happea runsaasti.

ydinreaktiot auringon ydin tuottaa energiaa, joka sitten kuljetetaan ulospäin säteilyn ja konvektion. Sädevyöhykkeen ja konvektiivisen vyöhykkeen välisen rajan sijainti on paljastunut helioseismologisilla havainnoilla. Vanhat alkuainepitoisuudet asettivat tämän rajan täsmälleen havaittuun asentoon; tarkistetut alkuainepitoisuudet eivät.,

Edelleen, Pinsonneault myöntää, että Asplundin uudet mallit ovat parempia kuin aiemmat, ja niiden uudelleentarkastelu auringon runsaus pitäisi olla voimassa. Ensinnäkin Asplundin malleissa on huomioitu konvektio, jota aikaisempi työ oli laiminlyönyt. Hänen tiiminsä myös tunnustettu, että punainen kontinuumi, joka muka syntyi happea on itse asiassa sekoitus happea ja nikkeliä; vähentämällä nikkelin osuus johti vähemmän happea runsaasti.

suuri osa ongelmasta johtuu itse happiatomista. ”Se on vain ongelmalapsi”, Pinsonneault sanoo., ”Se on aina ollut ongelmalapsi.”

yleinen vaikka happi onkin, se tuottaa auringonvalossa vain vähän spektriviivoja, joita kaikkia on vaikea analysoida, joten alkuaine jättää runsaasti johtolankoja. ”Sen sijaan kaikki ovat samaa mieltä aurinkoraudan runsaudesta”, Pinsonneault sanoo. Se johtuu siitä, että rauta tuottaa runsaasti spektriviivoja, jotka ovat kypsiä analysoitaviksi.

Loddersin tavoin Pinsonneault kutsuu näennäisen ikuista kiistaa turhauttavaksi. ”Se on ollut yllättävän vaikea saada uutta tietoa ongelman ratkaisemiseksi”, hän sanoo. ”Tarvitsemme vain uusia tietoja, jotta voimme ratkaista tämän.,”

Jotain uutta auringon alla

Onneksi tuoretta tietoa on tulossa pian. Laboratoriossa, fyysikot voivat mitata samentumat eri elementtejä alistamalla ne torrid lämpötiloissa, jotka vallitsevat auringossa. Viime vuosina tutkijat ovat houkutteli näitä kokeiluja jopa korkeampia lämpötiloja — tarpeeksi kuuma anturi ehtoja vastaavat syvällä alla auringon pinnalla, on konvektiivinen-säteilyvaikutusta raja — ja plasmat riittävän suuria ja pitkäikäisiä tuottaa tarkkoja numeroita.,

vuonna 2015 Sandia National Laboratoriesin kokeellinen fyysikko Jim Bailey kollegoineen kertoi, että raudan opasiteetti auringossa on todellakin odotettua suurempi. ”Meidän tulos teki tähtitiede yhteisö melko onnellinen”, hän sanoo, ”koska se tarkoittaa, että siellä on ainakin toivoa, että he voivat sovittaa yhteen, mitä he ajattelevat ovat parhaita runsaasti arvioita standardin solar malli ja helioseismology.”

Bailey on nyt kääntänyt huomionsa Happeen ja odottaa ensimmäisiä tuloksiaan kolmeen vuoteen., Jos happi osoittautuu tällä hetkellä laskettua läpinäkymättömämmäksi, aurinko ei tarvitse niin paljon alkuainetta säilyttääkseen radiatiivisen konvektiivisen rajan havaitun sijainnin. Tämä voisi poistaa ristiriidan uuden auringon runsauden ja helioseismologian välillä.

samaan aikaan sekä Asplund että Pinsonneault viittaavat toiseen lupaavaan ratkaisuun. Kun auringon ydin tuottaa energiaa, se tuottaa neutriinoja, aavemainen hiukkasia, jotka zip pois ja saavuttaa Maapallon noin kahdeksan minuuttia myöhemmin. Näiden neutriinojen meneillään olevien tutkimusten pitäisi tarjota uusi tapa arvioida alkuainepitoisuuksia., Se johtuu siitä, että tietyt neutriinot syntyvät prosessissa, joka käyttää hiiltä, typpeä ja happea katalyytteinä muuttaakseen vedyn heliumiksi.

Tämä CNO-sykli tuottaa vain noin 1 prosenttia auringon energiaa, mutta enemmän hiiltä, typpeä ja happea aurinko todella on, enemmän näitä CNO neutriinot olisi olemassa. Kuusi vuotta sitten fyysikot käyttivät Borexinon kokeilua Italiassa havaitakseen neutriinoja auringon tärkeimmästä ydinreaktiosta., Tällä viikolla, Borexino tutkijat ilmoitti, että tämä sama koe on piristyi CNO neutriinot, eli se on vain ajan kysymys, kunnes he auttavat paljastaa aurinko runsaus.

CNO-sykli tuottaa vain 1 prosenttia auringon energiaa, mutta voi joskus paljastaa, kuinka paljon hiiltä, typpeä ja happea auringon sisältää. Tässä monimutkainen sykli, hiilen, typen ja hapen ytimet katalysoivat vety-helium ydinreaktio, mutta eivät saa käyttää prosessissa. CNO-sykli muuntaa neljä protonia yhdeksi helium ydin, luoda energia-ja säteilevät kaksi neutriinot (magenta)., Fyysikot ilmoittivat hiljattain pystyneensä havaitsemaan tämäntyyppisen neutriinon ensimmäistä kertaa.

lopullinen tuomio?

Lodders mainitsee toisen syyn toivoon. Olipa kerran tähtitieteilijät väittelivät kosmisesta raudan runsaudesta: auringon spektri antoi erilaisen tason kuin meteoriitit. ”Se oli iso mysteeri pitkään”, hän sanoo. Keskustelu päättyi, kun tähtitieteilijät käyttää äskettäin mitattu atomic parametrit rauta ja tarkistaneet laskelmat aurinko runsaasti rautaa, kostaa, että meteoriittisiruset tulos.,

Asplund odottaa, että meneillään olevat opasiteetti-ja neutriinokokeet ratkaisevat kiistan. ”En löisi vetoa minun talo”, hän sanoo, ”mutta olisin hyvin pettynyt, jos emme tiedä, mitä vastaus on, että 10 vuoden kuluttua.”

Tämä artikkeli ilmestyi alun perin Tiedettävissä Lehti, riippumaton journalistinen pyrittävä Vuosittain Arvostelua.