Gli astronomi ancora non sanno esattamente di cosa sia fatto il sole

Mentre gli astronomi guardano nelle profondità dello spazio, lo fanno con disagio: non sanno esattamente di cosa sia fatto l’universo.

Non è solo la vera natura della materia oscura che li sfugge; così fa l’essenza delle stelle che macchiettano il cielo e popolano le molte galassie in tutto il cosmo., Sorprendentemente, nessuno conosce l’esatta composizione chimica delle stelle: quanti atomi di carbonio, azoto e ossigeno hanno rispetto all’idrogeno, l’elemento più comune.

Questi numeri sono cruciali, perché influenzano il modo in cui le stelle vivono e muoiono, quali tipi di pianeti si formano e persino quanto facilmente la vita potrebbe sorgere su altri mondi.

Venti anni fa, gli astronomi hanno espresso fiducia nei numeri con cui avevano lavorato. Ora, non tanto. Il problema non sta negli angoli più lontani del cosmo, ma molto più vicino a casa. Sorprendentemente, gli scienziati non sanno esattamente di cosa sia fatto il sole., Di conseguenza, non sanno di cosa sono fatte le altre stelle.

“Il sole è un metro fondamentale”, afferma Martin Asplund, astrofisico presso il Max Planck Institute for Astrophysics di Garching, in Germania. “Quando determiniamo l’abbondanza di un certo elemento in una stella o in una galassia o in una nube di gas in qualsiasi parte dell’universo, usiamo il sole come punto di riferimento.”

Ha senso. Il sole costituisce il 99,86% della massa del sistema solare., Qualsiasi sondaggista che abbia consultato la stessa percentuale di elettori non avrebbe alcun problema a prevedere l’esito delle prossime elezioni.

La posizione del sole nella Via Lattea lo rende anche un buon rappresentante dell’intera galassia. Proprio come le opinioni politiche variano dal nucleo urbano alla campagna, così le abbondanze stellari cambiano dal centro galattico al bordo, e il sole sembra essere nella posizione perfetta — circa a metà strada dal centro della Via Lattea al bordo del suo disco di stelle — per campionare l’intera galassia.,

Inoltre, la maggior parte delle stelle dell’universo risiede in galassie giganti come la Via Lattea, il che rende il sole una pietra di paragone per l’intero cosmo.

Inoltre, il sole è così luminoso che gli astronomi possono studiare i dettagli della sua luce con squisita precisione. Ciò dovrebbe consentire loro di determinare l’esatta abbondanza degli elementi chimici del sole.

Per quasi un secolo, gli astronomi hanno giudicato le stelle normali o meno vedendo se le loro composizioni chimiche corrispondono a quelle del sole. ,

Ecco perché l’articolo sulla composizione chimica del sole di Asplund e dei suoi colleghi nell’Annual Review of Astronomy and Astrophysics del 2009 ha raccolto più di 4.000 citazioni accademiche da colleghi scienziati: gli astronomi confrontano costantemente stelle e galassie con il sole. E ‘ lo standard universale.

Ma il lavoro di Asplund è controverso. Lui ei suoi colleghi hanno utilizzato nuovi modelli per analizzare la luce solare e ha trovato livelli drasticamente più bassi degli elementi pesanti più comuni nel sole – tra cui carbonio e ossigeno-rispetto ai calcoli precedenti., (Gli astronomi chiamano la maggior parte degli elementi più pesanti dell’elio “pesante.”) Il lavoro di Asplund implica quindi che le altre stelle e in effetti l’intero cosmo hanno una quantità molto minore di elementi pesanti di quanto si pensasse in precedenza.

Prendere ossigeno. “Questo è l’elemento pesante più abbondante dell’universo”, dice Marc Pinsonneault, astronomo dell’Ohio State University., È stato un critico dei numeri di Asplund perché portano a conflitti con le osservazioni dell’interno del sole.

“Il sole è uno dei pochi modi che abbiamo di misurare effettivamente quanto ossigeno c’è. Quindi se Asplund è corretto means significa che c’è il 40% in meno di ossigeno nel periodo dell’universo, perché tutte le nostre misurazioni vengono moltiplicate per qualsiasi cosa assumiamo per il sole”, dice Pinsonneault.

La controversia è durata per 20 anni; nessuna delle due parti ha ceduto all’altra. “Non abbiamo ancora trovato la risposta”, dice Katharina Lodders, cosmochimica della Washington University di St., Louis che indovina abbondanze da meteoriti e chiama la disputa di lunga data frustrante. “Penso che il ‘Cosa ci manca?’è una delle maggiori sfide per gli scienziati. Come può essere, che c’è qualcosa che non possiamo spiegare? Ci deve essere una risposta.”

I livelli più bassi di ossigeno e altri elementi pesanti che Asplund sostiene hanno causato non solo incertezza, ma anche problemi. “Sospettavo molto presto che avrebbe portato a un conflitto”, dice.

Eppure sia Asplund che Pinsonneault dicono che il dibattito è amichevole., “Non siamo molto d’accordo sull’interpretazione scientifica”, dice Asplund, ” ma siamo molto felici di uscire per una birra dopo.”

Fortunatamente, una serie di esperimenti attuali e futuri potrebbe finalmente risolvere la questione.

Ossigeno: Un elemento critico

Nonostante le polemiche, tutti sono d’accordo sulle basi: il sole è costituito principalmente da idrogeno ed elio, i due elementi più leggeri. Genera energia al suo centro attraverso reazioni nucleari che convertono l’idrogeno in elio. Ma a causa del lavoro di Asplund, gli importi dei prossimi elementi più abbondanti sono tutti in discussione.,

È molto importante. L’ossigeno rappresenta quasi la metà di tutti gli atomi pesanti nell’universo. La maggior parte di questi atomi traccia la loro nascita a stelle molto più massicce del sole. Alla fine della loro vita brillante ma breve, queste stelle fondono quattro nuclei di elio insieme per produrre ossigeno. Le stelle alla fine esplodono, sparando via l’elemento vivificante. Solo una supernova può espellere più di una massa solare di ossigeno. Se il livello di ossigeno nel sole e quindi l’intero universo è basso come Asplund crede, queste massicce stelle produttrici di ossigeno sono state molto meno prolifiche di quanto si pensasse.,

L’ossigeno è vitale in modi sia ovvi che non. L’ovvio: abbiamo bisogno di ossigeno per respirare. Il meno ovvio: più della metà degli atomi nelle rocce sotto i nostri piedi sono ossigeno. E l’elemento ha svolto un ruolo importante nella formazione di tutti i pianeti nel nostro sistema solare.,

L’importanza critica dell’ossigeno non finisce qui. Dopo tutto, c’è un atomo di ossigeno in ogni molecola d’acqua. “L’acqua è essenziale per la vita”, dice Lodders. “L’acqua era essenziale per formare la vita.”Quindi niente ossigeno, niente acqua e niente vita.

Continua, sole ribelle

Per quanto sia di vasta portata, la polemica bollente sull’abbondanza di ossigeno del sole e altri elementi pesanti è iniziata per caso. Alla fine degli anni 1990, Asplund voleva studiare stelle antiche che avevano solo una miseria di elementi pesanti. In primo luogo, però, ha pensato che fosse saggio accertare meglio la composizione del sole.,

Per fare ciò, lui ei suoi colleghi hanno sviluppato nuovi modelli per spiegare lo spettro solare, l’arcobaleno di colori che la nostra stella emana. Atomi di diversi elementi assorbono diverse lunghezze d’onda della luce, producendo quelle che vengono chiamate linee spettrali. Più atomi di un particolare elemento esistono sulla superficie del sole, più luce assorbono gli atomi e più forti sono le linee spettrali. Le linee spettrali possono quindi rivelare l’abbondanza di un elemento rispetto all’idrogeno, che è l’ingrediente principale del sole.,

Poiché il sole stabilisce lo standard, gli scienziati possono metaforicamente vedere l’intero universo in un singolo raggio di sole: analizzando lo spettro solare, possono determinare le proporzioni di idrogeno, carbonio, azoto e ossigeno in tutto il cosmo.

I nuovi modelli di Asplund erano molto più sofisticati di quelli precedenti, evitando semplificazioni e approssimazioni. “Non avevo alcuna reale aspettativa che ciò avrebbe cambiato le abbondanze solari”, dice. “E’ stato una specie di colpo fortunato.”

Nei suoi modelli, ognuno dei quattro elementi pesanti più abbondanti dell’universo ha avuto un grande successo. Rispetto ai numeri pubblicati 20 anni prima, l’articolo del 2009 di Asplund e colleghi raccomandava valori nettamente inferiori., I nuovi modelli hanno ridotto il livello di ossigeno stimato nel sole e quindi nell’universo di un enorme 42 percento. Il carbonio, un altro prerequisito per la vita, è sceso del 26%, mentre i livelli di neon e azoto sono crollati del 31% e del 40%, rispettivamente.

Da tutti i calcoli, questi quattro elementi rappresentano la stragrande maggioranza (88 per cento nel lavoro di Asplund, un po ‘ di più in altri numeri) di tutti gli atomi pesanti nell’universo. Se Asplund aveva ragione, l’universo ne aveva molto meno di quanto chiunque avesse pensato. E questo significava enormi problemi per i modelli degli interni del sole.,

All’interno del sole

Elementi pesanti come l’ossigeno alterano l’interno del sole, perché assorbono la radiazione mentre si dirige verso l’esterno dal nucleo solare alla superficie. Usando le vecchie abbondanze solari, gli astronomi pensavano di aver capito l’interno del sole, grazie a una tecnica nota come eliosismologia. Proprio come il nostro mondo ha terremoti, così l’interno del sole vibra di onde sonore. E proprio come i sismologi usano i terremoti per dedurre la struttura dell’interno della Terra, così le vibrazioni che increspano il sole hanno rivelato la sua struttura interna.,

Ad esempio, nella maggior parte dell’interno del sole, la radiazione rimbalza da un atomo all’altro, trasportando lentamente il calore dal nucleo verso l’esterno. Nelle parti più esterne del sole, tuttavia, il materiale è più fresco e più opaco, in gran parte perché elementi pesanti, come l’ossigeno, assorbono i fotoni. Questa opacità significa che i fotoni non possono trasportare il calore lì. Invece, un processo chiamato convezione imposta in: gas caldo sale alla superficie solare, irradia calore, poi si raffredda e affonda di nuovo verso il basso. Vedi qualcosa di simile quando fai bollire una pentola d’acqua.,

L’eliosismologia individua la posizione del confine tra l’interno radiativo del sole e il suo involucro convettivo. “Questo si presenta come un problema tecnico nelle onde sonore”, dice Pinsonneault. Di conseguenza, sappiamo che questo confine si verifica esattamente al 71,3% del raggio solare. Ma se il sole ha effettivamente meno ossigeno, carbonio, neon e azoto, allora l’interno del sole è meno opaco, consentendo alle radiazioni di trasportare il calore più lontano dal centro del sole, contraddicendo le osservazioni eliosismologiche., “O non capiamo il sole o siamo sbagliati”, ha detto Pinsonneault in un discorso del 2011 in cui ha favorito una maggiore abbondanza di ossigeno.

Tuttavia, Pinsonneault riconosce che i nuovi modelli di Asplund sono superiori a quelli precedenti e la loro rideterminazione delle abbondanze solari dovrebbe essere valida. Per prima cosa, i modelli di Asplund tengono conto della convezione, che il lavoro precedente aveva trascurato. Il suo team ha anche riconosciuto che una linea spettrale rossa che presumibilmente è nata dall’ossigeno è in realtà una miscela di ossigeno e nichel; sottraendo il contributo del nichel ha portato ad una minore abbondanza di ossigeno.

Gran parte del problema deriva dall’atomo di ossigeno stesso. “È solo un bambino problematico”, dice Pinsonneault., “È sempre stato un bambino problematico.”

Sebbene l’ossigeno sia comune, produce poche linee spettrali alla luce del sole, tutte difficili da analizzare, quindi l’elemento lascia pochi indizi sulla sua abbondanza. “Al contrario, tutti sono d’accordo sull’abbondanza di ferro solare”, dice Pinsonneault. Questo perché il ferro produce una pletora di linee spettrali che sono mature per l’analisi.

Come Lodders, Pinsonneault definisce la disputa apparentemente eterna frustrante. “È stato sorprendentemente difficile ottenere nuove informazioni per risolvere il problema”, afferma. “Abbiamo solo bisogno di nuovi dati per essere in grado di decifrare questo.,”

Qualcosa di nuovo sotto il sole

Fortunatamente, nuovi dati arriveranno presto. In laboratorio, i fisici possono misurare le opacità di diversi elementi sottoponendoli alle temperature torride che prevalgono all’interno del sole. Negli ultimi anni, gli scienziati hanno persuaso questi esperimenti a temperature ancora più elevate – abbastanza calde da sondare condizioni simili a quelle profonde sotto la superficie solare, al confine convettivo-radiativo — e in plasmi sufficientemente grandi e longevi da produrre numeri accurati.,

Nel 2015 Jim Bailey, un fisico sperimentale presso Sandia National Laboratories, ei suoi colleghi hanno riferito che l’opacità del ferro nel sole è davvero superiore al previsto. “Il nostro risultato ha reso la comunità astronomica abbastanza felice”, dice, ” perché significa che c’è almeno una speranza che possano conciliare quelle che pensano siano le migliori stime di abbondanza con il modello solare standard e con l’eliosismologia.”

Bailey ha ora rivolto la sua attenzione all’ossigeno e si aspetta i suoi primi risultati in tre anni., Se l’ossigeno risulta essere più opaco di quanto attualmente calcolato, allora il sole non ha bisogno di tanto dell’elemento per mantenere la posizione osservata del confine radiativo-convettivo. Ciò potrebbe eliminare la discrepanza tra le nuove abbondanze solari e l’eliosismologia.

Nel frattempo, sia Asplund che Pinsonneault indicano un’altra soluzione promettente. Mentre il nucleo del sole genera energia, emette neutrini, particelle spettrali che si allontanano e raggiungono la Terra circa otto minuti dopo. Gli studi in corso su questi neutrini dovrebbero offrire un nuovo modo per stimare le abbondanze elementali., Questo perché alcuni neutrini sorgono in un processo che utilizza carbonio, azoto e ossigeno come catalizzatori per convertire l’idrogeno in elio.

Questo ciclo CNO genera solo circa l ‘ 1% dell’energia del sole, ma più carbonio, azoto e ossigeno ha veramente il sole, più di questi neutrini CNO dovrebbero esistere. Sei anni fa, i fisici hanno usato l’esperimento Borexino in Italia per rilevare i neutrini dalla principale reazione nucleare del sole., Questa settimana, i ricercatori di Borexino hanno annunciato che questo stesso esperimento ha raccolto i neutrini CNO, il che significa che è solo una questione di tempo fino a quando non aiutano a svelare le abbondanze solari.

Il verdetto finale?

Lodders nota un altro motivo di speranza. C’era una volta, gli astronomi discutevano sull’abbondanza di ferro cosmico: lo spettro solare dava un livello diverso rispetto ai meteoriti. “È stato un grande mistero per molto tempo”, dice. Il dibattito si è concluso quando gli astronomi hanno usato i parametri atomici appena misurati per il ferro e hanno rivisto i loro calcoli dell’abbondanza di ferro solare, rivendicando il risultato meteoritico.,

Asplund si aspetta che gli esperimenti di opacità e neutrini in corso risolvano la controversia. “Non ci scommetterei la mia casa”, dice, ” ma sarei molto deluso se non sapessimo effettivamente quale sia la risposta tra 10 anni.”

Questo articolo è originariamente apparso in Knowable Magazine, uno sforzo giornalistico indipendente da recensioni annuali.