ahogy a csillagászok a tér mélyére néznek, ezt nyugtalansággal teszik: nem tudják pontosan, miből készül az univerzum.

nem csak a sötét anyag valódi természete kerüli el őket, hanem a csillagok lényege is, amelyek az égboltot lepecsételik, és a kozmoszban sok galaxist feltöltenek., Meglepő módon senki sem ismeri a csillagok pontos kémiai összetételét: hány szén -, nitrogén-és oxigénatomjuk van a hidrogénhez képest, ami a leggyakoribb elem.

ezek a számok döntő fontosságúak, mert befolyásolják, hogy a csillagok hogyan élnek és halnak meg, milyen típusú bolygók alakulnak ki, sőt, milyen könnyen alakulhat ki az élet más világokon.

húsz évvel ezelőtt a csillagászok kifejezték bizalmukat a számok iránt, amelyekkel dolgoztak. Most már nem annyira. A probléma nem a kozmosz távoli sarkában rejlik, hanem sokkal közelebb az otthonhoz. Meglepő módon a tudósok nem tudják pontosan, miből készül a nap., Ennek eredményeként, ők sem tudják, mi a többi csillag készült, bármelyik.

bár a nap pontos oxigénbősége ellentmondásos,senki sem vitatja, hogy a csillagok sokkal masszívabbak, mint a nap-hasonlóan a legfényesebb csillagokhoz, amelyek most az Orion-ködben születnek (látható) – a mai földön és az egész világegyetemben található oxigén nagy részét kovácsolták. Hitel: NASA / ESA / M., ROBBERTO (SPACE TELESCOPE SCIENCE INSTITUTE / ESA) és a HUBBLE SPACE TELESCOPE ORION TREASURY project TEAM

“a nap alapvető mérce” – mondja Martin Asplund, a Max Planck Asztrofizikai Intézet asztrofizikusa a németországi Garchingben. “Amikor meghatározzuk egy csillag vagy galaxis vagy gázfelhő bizonyos elemeinek bőségét bárhol az univerzumban, referenciapontként használjuk a napot.”

ennek van értelme. A nap a naprendszer tömegének 99,86 százalékát teszi ki., Minden olyan közvélemény-kutatónak, aki a szavazók azonos százalékával konzultált, nem lenne problémája a következő választás kimenetelének előrejelzésével.

a nap Tejútrendszerben való elhelyezkedése az egész galaxis jó képviselőjévé teszi. Csakúgy, mint a politikai vélemények eltérnek a városi magtól a vidékig, így a csillagbőség a Galaktikus központtól a szélig változik, és a nap tökéletes helyzetben van — körülbelül félúton a Tejút középpontjától a csillagok korongjának széléig—, hogy megkóstolja az egész galaxist.,

mi több, a világegyetem legtöbb csillaga olyan óriási galaxisokban él, mint a Tejút, ami a napot az egész kozmosz számára érintőkővé teszi.

plusz, a nap annyira fényes, hogy a csillagászok finom pontossággal tanulmányozhatják fényének részleteit. Ez lehetővé teszi számukra, hogy meghatározzák a nap kémiai elemeinek pontos bőségét.

közel egy évszázadon keresztül a csillagászok normálisnak vagy nem normálisnak ítélték meg a csillagokat, látva, hogy kémiai összetételük megegyezik-e a napéval. a legtöbb csillag a közelünkben van; néhányan nem.,

ezért az Asplund és kollégái által a nap kémiai összetételéről szóló cikk a csillagászat és asztrofizika 2009-es éves áttekintésében több mint 4000 tudományos idézetet gyűjtött tudóstársaitól: a csillagászok folyamatosan összehasonlítják a csillagokat és a galaxisokat a naphoz. Ez az egyetemes szabvány.

de Asplund munkája ellentmondásos. Kollégáival új modelleket használtak a napfény elemzésére, és a nap Leggyakoribb nehéz elemeinek — köztük a szénnek és az oxigénnek — drasztikusan alacsonyabb szintjét találták a korábbi számításokhoz képest., (A csillagászok a héliumnál nehezebb elemeket “nehéznek” nevezik.”) Asplund munkája tehát azt jelenti, hogy a többi csillagnak, sőt az egész kozmosznak sokkal kisebb mennyiségű nehéz eleme van, mint azt korábban gondolták.

a négy leggyakoribb nehéz elem — oxigén, szén, neon és nitrogén-közül mennyit tartalmaz a nap? Ez a táblázat több tucat elem relatív bőségét mutatja (kék pontok, leggyakoribb címkézett elemek), logaritmikus skálán kifejezve, ahol a hidrogénatomok száma 12-re van állítva., (A 11-es számú elem egytizede olyan gyakori, mint a hidrogén; ha 10, akkor ez egyszázados, mint a közös; és így tovább.) 1989-ben a standard oxigénbőség 8,93 volt, ami azt jelentette, hogy minden oxigénatomhoz 1175 hidrogénatom volt. 2009-ben azonban Martin Asplund csak 8, 69 oxigénbőségét részesítette előnyben, ami azt jelentette, hogy minden oxigénatomhoz 2,042 hidrogénatom volt. A szén, a nitrogén és a neon becsült mennyisége is zuhant.

vegyen oxigént. “Ez a leggyakoribb nehéz elem az univerzumban” – mondja Marc Pinsonneault, az Ohio Állami Egyetem csillagásza., Asplund számainak kritikusa volt, mert konfliktusokhoz vezetnek a nap belsejének megfigyeléseivel.

” a nap az egyetlen módja annak, hogy ténylegesen megmérjük, mennyi oxigén van. Tehát ha az Asplund helyes … ez azt jelenti, hogy 40 százalékkal kevesebb oxigén van a világegyetemi időszakban, mert minden mérésünket megszorozzuk azzal, amit a napra feltételezünk” – mondja Pinsonneault.

a vita 20 évig tartott; egyik oldal sem engedett a másiknak. “Még nem találtuk meg a választ” – mondja Katharina Lodders, a St. Washington Egyetem kozmokémikusa., Louis, aki a meteoritok bőségét osztja meg, és a régóta fennálló vitát frusztrálónak nevezi. “Azt hiszem, a” mi hiányzik?”az egyik legnagyobb kihívás a tudósok számára. Hogy lehet az, hogy van valami, amit nem tudunk megmagyarázni? Kell lennie válasznak.”

az alacsonyabb oxigénszint és más nehéz elemek, amelyeket az Asplund támogat, nemcsak bizonytalanságot, hanem bajt is okoztak. “Nagyon korán gyanítottam, hogy ez konfliktushoz vezet” – mondja.

Ugyanakkor mind Asplund, mind Pinsonneault szerint a vita barátságos., “Nagyon határozottan nem értünk egyet a tudományos értelmezéssel – mondja Asplund -, de nagyon örülünk, hogy utána sörözünk.”

szerencsére számos jelenlegi és jövőbeli kísérlet végre megoldhatja az ügyet.

oxigén: kritikus elem

a vita ellenére mindenki egyetért az alapokkal: a nap elsősorban hidrogénből és héliumból áll, a két legkönnyebb elemből. Energiát termel a Központjában olyan nukleáris reakciók révén,amelyek a hidrogént héliummá alakítják. De Asplund munkája miatt a következő leggyakoribb elemek összege vitatott.,

nagyon fontos. Az oxigén az univerzum összes nehéz atomjának közel felét teszi ki. Ezeknek az atomoknak a többsége sokkal masszívabb csillagokra vezethető vissza, mint a nap. Késő fényes, de rövid életükben ezek a csillagok négy héliummagot egyesítenek, hogy oxigént termeljenek. A csillagok végül felrobban, lövés az életet adó elem el. Csak egy szupernóva képes kibocsátani több, mint egy nap tömege oxigén. Ha a nap oxigénszintje, és így az egész univerzum olyan alacsony, mint ahogyan azt Asplund hiszi, ezek a hatalmas oxigéntermelő csillagok sokkal kevésbé termékenyek, mint gondolnánk.,

Az univerzum összes nehéz atomjának közel fele oxigén (az atomok száma szerint mérve, nem tömeg szerint). És csak négy elem — oxigén, szén, neon és nitrogén-teszi ki az összes nehéz Atom 88 százalékát, de a hidrogénhez viszonyított pontos számuk vitatott.

az oxigén létfontosságú mind nyilvánvaló, mind nem. A nyilvánvaló: oxigénre van szükségünk a légzéshez. A kevésbé nyilvánvaló: a lábunk alatti kőzetekben lévő atomok több mint fele oxigén. Az elem fontos szerepet játszott a Naprendszerünk összes bolygójának kialakulásában.,

az oxigén kritikus fontossága nem ér véget. Végül is minden vízmolekulában van egy oxigénatom. “A víz elengedhetetlen az élethez” – mondja Lodders. “A víz elengedhetetlen volt az élet kialakításához.”Tehát nincs oxigén, nincs víz és nincs élet.

Carry on, wayward sun

messzemenő, bár ez, a párás vita a nap rengeteg oxigén és más nehéz elemek kezdődött véletlenül. Az 1990-es évek végén Asplund olyan ősi csillagokat akart tanulmányozni, amelyeknek csak nehéz elemei voltak. Először azonban bölcsnek tartotta, hogy jobban megismerje a nap összetételét.,

ehhez kollégáival új modelleket fejlesztettek ki a napspektrum magyarázatára, a színek szivárványára, amelyet csillagunk ad ki. A különböző elemek atomjai elnyelik a fény különböző hullámhosszait, előállítva az úgynevezett spektrális vonalakat. Minél több egy adott elem atomja létezik a Nap felszínén, annál több fényt vesznek fel az atomok, annál erősebbek a spektrális vonalak. A spektrális vonalak ezáltal felfedhetik egy elem bőségét a hidrogénhez képest, amely a nap fő összetevője.,

mivel a nap beállítja a szabványt, a tudósok metaforikusan egyetlen napsugárzásban láthatják az egész univerzumot: a nap spektrumának elemzésével meghatározhatják a hidrogén, a szén, a nitrogén és az oxigén arányát az egész kozmoszban.

az Asplund új modelljei sokkal kifinomultabbak voltak, mint a korábbiak, egyszerűsítések és közelítések. “Nem volt valódi elvárásom, hogy ez egyáltalán megváltoztassa a napenergia-bőségeket” – mondja. “Ez egy szerencsés lövés volt.”

a nap spektruma (látható) elemezhető, hogy felfedje a nap sminkjének nyomait., A Nap felszínén lévő atomok elnyelik a meghatározott színeket, sötét spektrális vonalakat hagyva a megfigyelt spektrumban. Minden vonal erőssége elemi bőségről szól. A mély lila H és K vonalai a kalciumból származnak; a sárga-narancssárga d vonalak a nátriumból; a vörös C vonal a hidrogénből. Az oxigén spektrális vonalait nehéz elemezni.

modelljeiben az univerzum négy legelterjedtebb nehéz elemének mindegyike nagy sikert aratott. A 20 évvel korábban közzétett számokhoz képest az Asplund és kollégái 2009-es cikke élesen alacsonyabb értékeket javasolt., Az új modellek óriási 42 százalékkal csökkentették a nap becsült oxigénszintjét, így az univerzumban. A szén-dioxid, amely az élet másik előfeltétele, 26 százalékkal esett vissza, míg a neon-és nitrogénszint 31, illetve 40 százalékkal csökkent.

minden számítás szerint ez a négy elem az univerzum összes nehéz atomjának túlnyomó többségét (88% – át Asplund munkájában, egy kicsit többet más számokban) teszi ki. Ha Asplundnak igaza volt, az univerzumnak sokkal kevesebb volt, mint bárki gondolta volna. Ez óriási gondot jelentett a nap belső modelljeinek.,

A Nap belsejében

nehéz elemek, például az oxigén megváltoztatják a nap belsejét, mert elnyelik a sugárzást, mivel kifelé halad a napmagból a felszínre. A régi napkollektorok felhasználásával a csillagászok úgy gondolták, hogy a nap belsejét kitalálták, a helioseismology néven ismert technikának köszönhetően. Csakúgy, mint a mi világunkban földrengések vannak,így a nap belseje hanghullámokkal rezeg. Csakúgy, mint a szeizmológusok a földrengéseket használják a Föld belsejének felépítésére, így a napon át hullámzó rezgések felfedték belső szerkezetét.,

például a nap belsejének nagy részében a sugárzás atomról atomra pattan, lassan hőt szállítva a magból kifelé. A nap legkülső részein azonban az anyag hűvösebb és átlátszatlanabb, nagyrészt azért, mert a nehéz elemek, például az oxigén elnyelik a fotonokat. Ez az opacitás azt jelenti, hogy a fotonok nem tudnak hőt szállítani. Ehelyett egy konvekciónak nevezett folyamat indul be: a forró gáz a napfelszínre emelkedik, hőt sugároz, majd lehűl, majd visszahúzódik. Valami hasonlót látsz, amikor forralsz egy fazék vizet.,

A Helioseismology a nap sugárzó belseje és konvektív borítéka közötti határhelyzetet határozza meg. “Ez a hanghullámok hibájaként jelenik meg” – mondja Pinsonneault. Ennek eredményeként tudjuk, hogy ez a határ a Nap sugarának pontosan 71, 3% – ánál fordul elő. De ha a napnak valójában kevesebb oxigén, szén, neon és nitrogén van, akkor a nap belseje kevésbé átlátszatlan, lehetővé téve a sugárzás számára, hogy a nap középpontjától távolabb hőt szállítson, ellentmondva a helioseismológiai megfigyeléseknek., “Vagy nem értjük a napot, vagy tévednek” – mondta Pinsonneault egy 2011-es beszélgetésen, ahol a magasabb oxigénbőséget részesítette előnyben.

a nap magjában a nukleáris reakciók energiát termelnek, amelyet ezután sugárzással, majd konvekcióval kifelé szállítanak. A radiatív zóna és a konvektív zóna közötti határ helyzetét helioseismológiai megfigyelések tárták fel. A régi elemi napenergia-bőségek ezt a határt pontosan a megfigyelt helyzetbe helyezik; a felülvizsgált elemi bőségek nem.,

a Pinsonneault mégis elismeri, hogy az Asplund új modelljei jobbak a korábbiaknál, és a napkollektorok újradeterminálásának érvényesnek kell lennie. Egyrészt az Asplund modelljei figyelembe veszik a konvekciót, amelyet a korábbi munka elhanyagolt. Csapata azt is felismerte, hogy egy vörös spektrális vonal, amely állítólag oxigénből származik, valójában oxigén és nikkel keveréke; a nikkel hozzájárulásának kivonása alacsonyabb oxigénbőséghez vezetett.

a probléma nagy része az oxigénatomból származik. “Ez csak egy baj gyermek” – mondja Pinsonneault., “Mindig is problémás gyerek volt.”

közös bár az oxigén, kevés spektrális vonalat termel napfényben, amelyek mindegyikét nehéz elemezni, így az elem kevés nyomot hagy a bőségére. “Ezzel szemben mindenki egyetért a napenergia vas bőségével” – mondja Pinsonneault. Ennek oka az, hogy a vas számos spektrális vonalat termel, amelyek megérettek az elemzésre.

mint a Lodders, Pinsonneault frusztrálónak nevezi a látszólag örök vitát. “Meglepően nehéz volt új információkat szerezni a probléma megoldásához” – mondja. “Csak új adatokra van szükségünk ahhoz, hogy ezt meg tudjuk oldani.,”

valami új a nap alatt

szerencsére hamarosan friss adatok érkeznek. A laboratóriumban a fizikusok megmérhetik a különböző elemek opacitását azáltal, hogy alávetik őket a forró hőmérsékletnek, amely a Nap belsejében uralkodik. Az elmúlt években a tudósok kényszerítette ezeket a kísérleteket, hogy még magasabb hőmérséklet — elég forró ahhoz, hogy a szonda hasonló feltételek mélyen a napelem felület, a konvektív-sugárzási határ—, illetve a plazma kellően nagy, hosszú életű hozam pontos számokat.,

2015-ben Jim Bailey, a Sandia National Laboratories kísérleti fizikusa és kollégái arról számoltak be, hogy a nap vasának homályossága valóban magasabb a vártnál. “Eredményünk nagyon boldoggá tette a csillagászati közösséget” – mondja -, mert ez azt jelenti, hogy legalább van remény arra, hogy össze tudják egyeztetni azt, amit a legjobb bőség becslésnek tartanak a standard szoláris modellel és a helioseismológiával.”

Bailey most az oxigénre fordította figyelmét, és három év múlva várja első eredményeit., Ha az oxigén átlátszatlanabbnak bizonyul, mint a jelenleg kiszámított, akkor a napnak nincs szüksége annyi elemre a radiatív-konvektív határ megfigyelt helyének fenntartásához. Ezzel kiküszöbölhető az eltérés az új napkollektorok és a heliozeizmus között.

eközben mind az Asplund, mind a Pinsonneault egy másik ígéretes megoldást mutat. Ahogy a nap magja energiát termel, neutrínókat, kísérteties részecskéket bocsát ki, amelyek körülbelül nyolc perccel később elérik a Földet. Ezeknek a neutrínóknak a folyamatban lévő vizsgálatainak új módszert kell kínálniuk az elemi bőségek becslésére., Ez azért van, mert bizonyos neutrínók olyan folyamat során keletkeznek, amely szén -, nitrogén-és oxigén-katalizátorként használja a hidrogént héliummá.

Ez a CNO-ciklus a nap energiájának csak mintegy 1 százalékát generálja, de minél több szén, nitrogén és oxigén van a napnak, annál több ilyen CNO-neutrínónak kell léteznie. Hat évvel ezelőtt a fizikusok a Borexino kísérletet használták Olaszországban a neutrínók kimutatására a nap fő nukleáris reakciójából., Ezen a héten a Borexino kutatói bejelentették, hogy ugyanez a kísérlet felvette a CNO neutrínókat, ami azt jelenti, hogy csak idő kérdése, amíg segítenek a nap bőségének feltárásában.

a CNO-ciklus a nap energiájának csak 1% – át termeli, de egy nap felfedheti, hogy mennyi szenet, nitrogént és oxigént tartalmaz a nap. Ebben a komplex ciklusban a szén -, nitrogén – és oxigénmagok katalizálják a hidrogén-hélium nukleáris reakciót, de nem használják fel a folyamatot. A CNO-ciklus négy protont egy héliummaggá alakít át, energiát hoz létre és két neutrínót (magenta) bocsát ki., A fizikusok nemrégiben bejelentették, hogy először képesek voltak észlelni az ilyen típusú neutrínót.

A végső ítélet?

a Lodders megjegyzi a remény másik okát. Egyszer régen a csillagászok vitatkoztak a kozmikus vasbőség felett: a napspektrum más szintet adott, mint a meteoritok. “Hosszú ideig nagy rejtély volt” – mondja. A vita akkor ért véget, amikor a csillagászok újonnan mért atomparamétereket használtak a vashoz, és felülvizsgálták a szoláris vasbőségre vonatkozó számításaikat, jelezve a meteoritikus eredményt.,

Asplund arra számít, hogy a folyamatban lévő opacitás és neutrínó kísérletek megoldják a vitát. “Nem fogadnék rá a házamra-mondja -, de nagyon csalódott lennék, ha nem tudnánk, mi a válasz 10 év múlva.”

Ez a cikk eredetileg a Knowable magazinban jelent meg, egy független újságírói törekvés az éves áttekintésekből.