les astronomes ne savent toujours pas exactement de quoi est fait le soleil

lorsque les astronomes regardent dans les profondeurs de l’espace, ils le font avec malaise: ils ne savent pas exactement de quoi est fait l’univers.

ce n’est pas seulement la vraie nature de la matière noire qui leur échappe; il en va de même pour l’essence des étoiles qui mouchettent le ciel et peuplent les nombreuses galaxies du cosmos., Étonnamment, personne ne connaît la composition chimique exacte des étoiles: combien d’atomes de carbone, d’azote et d’oxygène ils ont par rapport à l’hydrogène, l’élément le plus commun.

Ces chiffres sont cruciaux, car ils affectent la façon dont les étoiles vivent et meurent, quels types de planètes se forment et même la facilité avec laquelle la vie pourrait surgir sur d’autres mondes.

Il y a vingt ans, les astronomes ont exprimé leur confiance dans les chiffres avec lesquels ils travaillaient. Maintenant, pas tellement. Le problème ne réside pas dans les coins les plus reculés du cosmos, mais beaucoup plus près de la maison. Étonnamment, les scientifiques ne savent pas exactement de quoi le soleil est fait., En conséquence, ils ne savent pas non plus de quoi sont faites les autres étoiles.

« Le Soleil est un critère fondamental », explique Martin Asplund, astrophysicien à L’Institut Max Planck D’Astrophysique de Garching, en Allemagne. « Lorsque nous de déterminer l’abondance d’un élément dans une étoile ou d’une galaxie ou d’un nuage de gaz n’importe où dans l’univers, on utilise le soleil comme point de référence. »

Qui fait sens. Le Soleil représente 99,86% de la masse du système solaire., Tout sondeur qui consulterait le même pourcentage d’électeurs n’aurait aucun problème à prédire le résultat de la prochaine élection.

La position du soleil dans la Voie lactée en fait également un bon représentant de toute la galaxie. Tout comme les opinions politiques varient du noyau urbain à la campagne, les abondances stellaires changent du centre galactique au bord, et le soleil se trouve être dans la position idéale — à peu près à mi — chemin du Centre de la Voie lactée au bord de son disque d’étoiles-pour échantillonner toute la galaxie.,

de plus, la plupart des étoiles de l’univers résident dans des galaxies géantes comme la Voie Lactée, ce qui fait du soleil une pierre de touche pour tout le cosmos.

de Plus, le soleil est si brillant que les astronomes peuvent étudier les détails de sa lumière avec une précision exquise. Qui devrait leur permettre de déterminer l’abondance du soleil éléments chimiques.

Depuis près d’un siècle, les astronomes jugent les étoiles normales ou non en voyant si leurs compositions chimiques correspondent à celles du soleil. ,

C’est pourquoi L’article sur la composition chimique du soleil par Asplund et ses collègues dans le 2009 Annual Review of Astronomy and Astrophysics a recueilli plus de 4,000 citations académiques de collègues scientifiques: les astronomes comparent constamment les étoiles et les galaxies au soleil. C’est la norme universelle.

Mais le travail D’Asplund est controversé. Lui et ses collègues ont utilisé de nouveaux modèles pour analyser la lumière du soleil et ont trouvé des niveaux considérablement inférieurs des éléments lourds les plus courants dans le soleil — y compris le carbone et l’oxygène — par rapport aux calculs précédents., (Les astronomes appellent la plupart des éléments plus lourds que l’hélium  » lourd. ») Le travail d’Asplund implique donc que les autres étoiles et même l’ensemble du cosmos ont une quantité beaucoup plus petite d’éléments lourds qu’on ne le pensait auparavant.

Prendre de l’oxygène. « C’est l’élément lourd le plus abondant de l’univers », explique Marc Pinsonneault, astronome à L’Université D’État de L’Ohio., Il a été un critique des chiffres D’Asplund parce qu’ils conduisent à des conflits avec les observations de l’intérieur du soleil.

« Le Soleil est l’un des seuls moyens dont nous disposons pour mesurer la quantité d’oxygène. Donc, si Asplund est correct that cela signifie qu’il y a 40 pour cent moins d’oxygène dans la période de l’univers, parce que toutes nos mesures sont multipliées par ce que nous supposons pour le soleil », dit Pinsonneault.

La controverse dure depuis 20 ans; aucune des deux parties n’a cédé à l’autre. « Nous N’avons pas encore trouvé la réponse », explique Katharina Lodders, cosmochimiste à L’Université Washington de St., Louis qui devine les abondances des météorites et qualifie le différend de longue date de frustrant. « Je pense que le ‘ce qui nous manque?’est l’un des plus grands défis pour les scientifiques. Comment cela peut-il être, qu’il y ait quelque chose que nous ne pouvons pas expliquer? Il doit y avoir une réponse. »

Les faibles niveaux d’oxygène et d’autres éléments lourds que les défenseurs D’Asplund ont causé non seulement de l’incertitude, mais aussi des problèmes. « Je me doutais très tôt que cela mènerait à un conflit », dit-il.

pourtant, Asplund et Pinsonneault disent que le débat est amical., « Nous sommes très en désaccord sur l’interprétation scientifique », dit Asplund,  » mais nous sommes très heureux de sortir boire une bière par la suite. »

heureusement, une variété d’expériences actuelles et futures peuvent enfin résoudre le problème.

L’oxygène: un élément critique

malgré la controverse, tout le monde s’accorde sur les bases: le soleil est principalement constitué d’hydrogène et d’hélium, les deux éléments les plus légers. Il génère de l’énergie en son centre grâce à des réactions nucléaires qui convertissent l’hydrogène en hélium. Mais à cause du travail D’Asplund, les quantités des éléments les plus abondants suivants sont toutes contestées.,

Ça compte énormément. L’oxygène représente près de la moitié de tous les atomes dans l’univers. La plupart de ces atomes tracent leur naissance à des étoiles beaucoup plus massives que le soleil. À la fin de leur vie brillante mais brève, ces étoiles fusionnent quatre noyaux d’hélium pour former de l’oxygène. Les étoiles finissent par exploser, tirant l’élément qui donne la vie. Une seule supernova peut éjecter plus d’une masse solaire d’oxygène. Si le niveau d’oxygène dans le soleil et donc dans l’univers entier est aussi bas qu’Asplund le croit, ces étoiles massives productrices d’oxygène ont été beaucoup moins prolifiques qu’on ne le pensait.,

L’oxygène est vital à la fois évident et non. L’évidence: nous avons besoin d’oxygène pour respirer. Le moins évident: plus de la moitié des atomes dans les roches sous nos pieds sont de l’oxygène. Et l’élément a joué un rôle important dans la formation de toutes les planètes de notre système solaire.,

L’importance critique de L’oxygène ne s’arrête pas là. Après tout, il y a un atome d’oxygène dans chaque molécule d’eau. « L’eau est essentielle à la vie », dit Lodders. « L’eau était essentielle à la formation de la vie. »Donc, pas d’oxygène, pas d’eau et pas de vie.

Carry on, Wayward sun

bien que de grande portée, la controverse sur l’abondance d’oxygène et d’autres éléments lourds du soleil a commencé par accident. À la fin des années 1990, Asplund voulait étudier les étoiles anciennes qui n’avaient qu’une pitance d’éléments lourds. D’abord, cependant, il a pensé qu’il était sage de mieux déterminer la composition du soleil.,

Pour ce faire, lui et ses collègues ont développé de nouveaux modèles pour expliquer le spectre solaire, l’arc-en-ciel de couleurs de notre étoile dégage. Les atomes de différents éléments absorbent différentes longueurs d’onde de la lumière, produisant ce que l’on appelle des raies spectrales. Plus il y a d’atomes d’un élément particulier à la surface du soleil, plus les atomes absorbent de lumière et plus les raies spectrales sont fortes. Les raies spectrales peuvent ainsi révéler l’abondance d’un élément par rapport à l’hydrogène, qui est l’ingrédient principal du soleil.,

parce que le soleil fixe la norme, les scientifiques peuvent voir métaphoriquement l’univers entier dans un seul rayon de soleil: en analysant le spectre solaire, ils peuvent déterminer les proportions d’hydrogène, de carbone, d’azote et d’oxygène dans tout le cosmos.

Les nouveaux modèles D’Asplund étaient beaucoup plus sophistiqués que les précédents, évitant les simplifications et les approximations. « Je ne m’attendais pas vraiment à ce que cela change les abondances solaires », dit-il. « C’était un peu un coup de chance. »

dans ses modèles, chacun des quatre éléments lourds les plus abondants de l’univers a pris un coup majeur. Par rapport aux chiffres publiés 20 ans plus tôt, L’article de 2009 D’Asplund et de ses collègues recommandait des valeurs nettement inférieures., Les nouveaux modèles ont réduit le niveau d’oxygène estimé dans le soleil et donc dans l’univers d’un énorme 42 pour cent. Le carbone, une autre condition préalable à la vie, a chuté de 26%, tandis que les niveaux de néon et d’azote ont chuté de 31% et 40%, respectivement.

selon tous les calculs, ces quatre éléments représentent la grande majorité (88% dans le travail D’Asplund, un peu plus dans d’autres nombres) de tous les atomes lourds de l’univers. Si Asplund avait raison, l’univers en avait beaucoup moins qu’on ne le pensait. Et cela signifiait d’énormes problèmes pour les modèles de l’intérieur du soleil.,

à l’intérieur du soleil

des éléments lourds tels que l’oxygène modifient l’intérieur du soleil, car ils absorbent le rayonnement lorsqu’il se dirige vers l’extérieur du noyau solaire vers la surface. En utilisant les anciennes abondances solaires, les astronomes pensaient avoir compris l’intérieur du soleil, grâce à une technique connue sous le nom d’héliosismologie. Tout comme notre monde a des tremblements de terre, l’intérieur du soleil vibre avec des ondes sonores. Et tout comme les sismologues utilisent des tremblements de terre pour déduire la structure de l’intérieur de la terre, les vibrations ondulant à travers le soleil ont révélé sa structure interne.,

par exemple, dans la majeure partie de l’intérieur du Soleil, le rayonnement rebondit d’un atome à l’autre, transportant lentement la chaleur du noyau vers l’extérieur. Dans le ultrapériphériques parties du soleil, cependant, le matériau est plus frais et plus opaque, en grande partie parce que les éléments lourds, tels que l’oxygène, absorbent les photons. Cette opacité signifie que les photons ne peuvent pas transporter la chaleur là-bas. Au lieu de cela, un processus appelé convection s’installe: le gaz chaud monte à la surface solaire, rayonne de la chaleur, puis se refroidit et redescend. Vous voyez quelque chose de similaire lorsque vous faites bouillir une casserole d’eau.,

L’héliosismologie identifie la position de la limite entre l’intérieur radiatif du soleil et son enveloppe convective. « Cela apparaît comme un pépin dans les ondes sonores », dit Pinsonneault. En conséquence, nous savons que cette limite se produit précisément à 71, 3% du rayon solaire. Mais si le soleil a en fait moins d’oxygène, de carbone, de néon et d’azote, alors l’intérieur du Soleil est moins opaque, ce qui permet au rayonnement de transporter la chaleur plus loin du centre du soleil, ce qui contredit les observations héliosismologiques., « Soit nous ne comprenons pas le soleil, soit nous nous trompons », a déclaré Pinsonneault lors d’une conférence en 2011 où il favorisait une plus grande abondance d’oxygène.

néanmoins, Pinsonneault reconnaît que les nouveaux modèles D’Asplund sont supérieurs aux modèles précédents et que leur réévaluation des abondances solaires devrait être valide. D’une part, les modèles D’Asplund prennent en compte la convection, que les travaux antérieurs avaient négligée. Son équipe a également reconnu qu’une raie spectrale rouge qui proviendrait de l’oxygène est en fait un mélange d’oxygène et de nickel; la soustraction de la contribution du nickel a conduit à une plus faible abondance d’oxygène.

le problème vient de l’atome d’oxygène lui-même. « C’est juste un enfant trouble », dit Pinsonneault., « Il a toujours été un enfant trouble. »

bien que L’oxygène soit commun, il produit peu de raies spectrales dans la lumière du soleil, qui sont toutes difficiles à analyser, de sorte que l’élément laisse peu d’indices sur son abondance. « En revanche, tout le monde est d’accord sur l’abondance du fer solaire », dit Pinsonneault. C’est parce que le fer produit une pléthore de raies spectrales qui sont mûres pour l’analyse.

comme Lodders, Pinsonneault qualifie de frustrante la dispute apparemment éternelle. « Il a été étonnamment difficile d’obtenir de nouvelles informations pour résoudre le problème, » dit-il. « Nous avons juste besoin de nouvelles données pour pouvoir déchiffrer cela., »

quelque Chose de nouveau sous le soleil

Heureusement, de nouvelles données seront bientôt disponibles. En laboratoire, les physiciens peuvent mesurer les opacités de différents éléments en les soumettant aux températures torrides qui règnent à l’intérieur du soleil. Ces dernières années, les scientifiques ont amadoué ces expériences à des températures encore plus élevées — suffisamment chaudes pour sonder des conditions similaires à celles situées profondément sous la surface solaire, à la limite convective-radiative — et dans des plasmas suffisamment grands et à longue durée de vie pour donner des nombres précis.,

en 2015, Jim Bailey, physicien expérimental aux Sandia National Laboratories, et ses collègues ont rapporté que l’opacité du fer dans le soleil est en effet plus élevée que prévu. « Notre résultat a rendu la communauté de l’astronomie très heureuse », dit-il,  » parce que cela signifie qu’il y a au moins un espoir qu’ils puissent concilier ce qu’ils pensent être les meilleures estimations d’abondance avec le modèle solaire standard et avec l’héliosismologie. »

Bailey a maintenant tourné son attention vers l’oxygène et attend ses premiers résultats dans trois ans., Si l’oxygène s’avère plus opaque que ce qui est actuellement calculé, le soleil n’a pas besoin d’autant d’élément pour maintenir l’emplacement observé de la frontière radiative-convective. Cela pourrait éliminer l’écart entre les nouvelles abondances solaires et l’héliosismologie.

pendant ce temps, Asplund et Pinsonneault suggèrent une autre solution prometteuse. Lorsque le cœur du soleil génère de l’énergie, il émet des neutrinos, des particules fantomatiques qui s’éloignent et atteignent la Terre environ huit minutes plus tard. Les études en cours sur ces neutrinos devraient offrir une nouvelle façon d’estimer les abondances élémentaires., C’est parce que certains neutrinos apparaissent dans un processus qui utilise le carbone, l’azote et l’oxygène comme catalyseurs pour convertir l’hydrogène en hélium.

Ce cycle de CNO ne génère qu’environ 1% de l’énergie du soleil, mais plus le soleil a de carbone, d’azote et d’oxygène, plus ces neutrinos CNO devraient exister. Il y a Six ans, des physiciens ont utilisé L’expérience Borexino en Italie pour détecter les neutrinos de la principale réaction nucléaire du soleil., Cette semaine, les chercheurs de Borexino ont annoncé que cette même expérience a capté les neutrinos CNO, ce qui signifie que ce n’est qu’une question de temps avant qu’ils aident à dévoiler les abondances solaires.

Le verdict final?

Lodders note une autre raison d’espérer. Il était une fois, les astronomes se disputaient sur l’abondance de fer cosmique: le spectre solaire donnait un niveau différent de celui des météorites. « C’était un grand mystère pendant longtemps », dit-elle. Le débat a pris fin lorsque les astronomes ont utilisé des paramètres atomiques nouvellement mesurés pour le fer et ont révisé leurs calculs de l’abondance du fer solaire, justifiant le résultat météoritique.,

Asplund s’attend à ce que les expériences en cours sur l’opacité et les neutrinos résolvent la controverse. « Je ne parierais pas sur ma maison », dit-il,  » mais je serais très déçu si nous ne savons pas vraiment quelle sera la réponse dans 10 ans. »

Cet article est initialement paru dans le magazine Knowable, une entreprise journalistique indépendante de Annual Reviews.