天文学者はまだ太陽が何でできているのか正確にはわからない

天文学者は宇宙の深みを見つめているとき、彼らは不安を抱いてそうする：彼らは宇宙が何でできているのか正確にはわからない。

それはそれらを逃れる暗黒物質の本当の性質だけではありません;そう空を斑点を付け、宇宙全体の多くの銀河を移入星の本質を行います.暗黒物質, 驚くべきことに、誰も星の正確な化学組成を知らない：彼らは水素、最も一般的な要素に対して持っているどのように多くの炭素、窒素、酸素原子。

これらの数字は、星がどのように生きて死ぬか、どのようなタイプの惑星が形成されるか、さらには他の世界でどのように容易に生命が生じるか

二十年前、天文学者は彼らが働いていた数字に自信を表明しました。 今、それほどではありません。 問題は、宇宙の遠い隅にあるのではなく、家にはるかに近いです。 驚くべきことに、科学者たちは太陽が何で作られているのかを正確に知りません。, その結果、彼らは他の星が何で作られているのかも知りません。

“太陽は基本的な尺度です”と、ドイツのGarchingにあるMax Planck Institute For Astrophysicsの天体物理学者Martin Asplundは言います。 “宇宙のどこでも星や銀河、ガス雲の中の特定の要素の存在量を決定するとき、私たちは太陽を基準点として使用します。”

それは理にかなっています。 太陽は太陽系の質量の99.86パーセントを占めている。, 同じ割合の有権者に相談した投票者は、次の選挙の結果を予測することに問題はありません。

天の川にある太陽の位置は、銀河全体を代表するものになっています。 政治的見解が都市の中心から田舎まで異なるのと同じように、恒星の存在量は銀河中心から端まで変化し、太陽は天の川の中心から星の円盤の端までのほぼ中間にある完璧な位置にあり、銀河全体をサンプリングすることができます。,

さらに、宇宙のほとんどの星は天の川のような巨大な銀河に存在し、太陽は宇宙全体の試金石になります。

さらに、太陽は非常に明るいので、天文学者はその光の詳細を絶妙な精度で研究することができます。 それは彼らが太陽の化学元素の正確な存在量を決定することを可能にするはずです。

ほぼ一世紀にわたって、天文学者は、その化学組成が太陽のものと一致するかどうかを見ることによって、星を正常かどうかを判断してきました。,

だからこそ、Asplundと彼の同僚による2009年のAnnual Review of Astronomy and Astrophysicsにおける太陽の化学組成に関する記事は、仲間の科学者から4,000以上の学術的引用を集めています：天文学者は常に星や銀河を太陽と比較しています。 それは普遍的な標準です。

しかし、Asplundの仕事は議論の余地があります。 彼と彼の同僚は、太陽光を分析するために新しいモデルを使用して、以前の計算と比較して、炭素と酸素を含む太陽の中で最も一般的な重元素のレベルが大幅に低いことを発見しました。, （天文学者はヘリウムよりも重い元素を”重い”と呼んでいます。”）したがって、アスプルンドの仕事は、他の星と実際に宇宙全体が以前に考えられていたよりもはるかに少ない量の重元素を持っていることを意味し

酸素を取ります。 “これは宇宙で最も豊富な重元素です”と、オハイオ州立大学の天文学者であるMarc Pinsonneaultは言います。, 彼はアスプルンドの数が太陽の内部の観測と矛盾することから、アスプルンドの数について批判してきた。

“太陽は、私たちが実際にそこにあるどのくらいの酸素を測定する唯一の方法の一つです。 だから、Asplundが正しければ…それは宇宙の期間に40％少ない酸素があることを意味します、なぜなら、私たちの測定値のすべてが太陽のために仮定するもの

論争は20年にわたって耐え続けてきたが、どちらの側も他の側に屈していない。 “私たちはまだ答えを見つけていません”と、セントのワシントン大学の宇宙化学者であるKatharina Loddersは言います, 隕石からの豊富さを占い、長年の論争をイライラと呼ぶルイ。 “私は”私たちは何が欠けていると思いますか？”科学者にとって最大の課題の一つです。 私たちが説明できないことがあるということはどうでしょうか？ 答えがあるに違いない”

Asplundが提唱している酸素やその他の重元素のレベルが低いことは、不確実性だけでなくトラブルを引き起こしました。 “私はそれが紛争につながることを非常に早い段階で疑った”と彼は言う。

しかし、AsplundとPinsonneaultの両方は、議論は友好的なものであると言います。, “私たちは科学的解釈に非常に強く反対しています”とAsplundは言いますが、その後ビールを飲みに行くことはとても嬉しいです。”

幸いなことに、現在および将来の実験の様々な最終的に問題を解決することができます。

酸素：重要な要素

論争にもかかわらず、誰もが基本に同意します：太陽は主に水素とヘリウム、二つの最も軽い要素で構成されています。 水素をヘリウムに変換する核反応によって、その中心でエネルギーを生成します。 しかし、Asplundの仕事のために、次の最も豊富な要素の量はすべて論争の的になっています。,

それは非常に重要です。 酸素は宇宙のすべての重原子のほぼ半分を占めています。 これらの原子のほとんどは、太陽よりもはるかに大きな星への誕生を追跡します。 彼らの明るいが短い生活の後半に、これらの星は酸素を作るために四つのヘリウム核を一緒に融合させ 星は最終的に爆発し、生命を与える要素を撃ち落とします。 ただ一つの超新星は、酸素の太陽質量よりも多くを排出することができます。 太陽の酸素レベル、したがって宇宙全体がAsplundが信じているほど低い場合、これらの巨大な酸素生成星は考えられているよりもはるかに少ない多産で,

酸素は明らかでもない方法で不可欠です。 明らかなのは、呼吸するために酸素が必要です。 あまり明らかではありません：私たちの足の下の岩の原子の半分以上が酸素です。 そして、この要素は私たちの太陽系のすべての惑星の形成に重要な役割を果たしました。,

酸素の重要な重要性はそこで終わりません。 結局のところ、すべての水分子に酸素原子があります。 “水は人生に欠かせないものです”とロッダーズは言います。 “水は生命を形成するために不可欠でした。”だから、酸素も水も生命もありません。

キャリーオン、わがままな太陽

遠大なそれはあるものの、酸素や他の重元素の太陽の豊富さを超える煮る論争は、偶然によって始まりました。 1990年代後半、アスプルンドはわずかな重元素しか持たない古代の星を研究したいと考えていた。 しかし、最初に、彼は太陽の組成をよりよく確認することが賢明だと考えました。,

そうするために、彼と彼の同僚は、太陽スペクトルを説明するための新しいモデルを開発し、私たちの星が放つ色の虹。 異なる元素の原子は異なる波長の光を吸収し、スペクトル線と呼ばれるものを生成します。 太陽の表面に存在する特定の元素の原子が多いほど、原子が吸収する光が多くなり、スペクトル線が強くなります。 これにより、スペクトル線は、太陽の主成分である水素に対する元素の存在量を明らかにすることができます。,

太陽が標準を設定するので、科学者は比喩的に単一の太陽光線で宇宙全体を見ることができます：太陽スペクトルを分析することによって、宇宙

Asplundの新しいモデルは、単純化と近似を避けて、以前のモデルよりもはるかに洗練されていました。 “これが太陽の存在量をまったく変えるという本当の期待はありませんでした”と彼は言います。 “それは幸運なショットのようなものでした。”

彼のモデルでは、宇宙の四つの最も豊富な重元素のそれぞれが大きなヒットを記録しました。 20年前に発表された数字と比較して、Asplundらによる2009年の記事では、大幅に低い値を推奨しています。, 新しいモデルは、太陽とそれによって宇宙での推定された酸素レベルをなんと42パーセント削減しました。 生命のためのもう一つの前提条件である炭素は26％減少し、ネオンと窒素のレベルはそれぞれ31％と40％減少しました。

すべての計算により、これらの四つの要素は、宇宙のすべての重原子の大部分（アスプルンドの仕事では88パーセント、他の数ではもう少し）を占めています。 アスプルンドが正しければ、宇宙は誰もが考えていたよりもはるかに少なかった。 そしてそれは太陽の内部のモデルのための巨大な悩みを意味した。,

太陽の内部

酸素などの重い元素は、太陽の内部を変えます。 古い太陽の存在量を使用して、天文学者は、太陽地震学として知られている技術のおかげで、太陽の内部を考え出したと考えました。 私たちの世界が地震を持っているのと同じように、太陽の内部は音波で振動します。 そして、地震学者が地球の内部の構造を推測するために地震を使用するのと同じように、太陽をさざ波する振動はその内部構造を明らかにしました。,

たとえば、太陽の内部のほとんどでは、放射線は原子から原子に跳ね返り、コアから熱をゆっくりと外側に運びます。 しかし、太陽の最も外側の部分では、酸素などの重い元素が光子を吸収するため、材料はより涼しく、より不透明です。 この不透明度と光ができなフェリー。 代わりに、対流セットと呼ばれるプロセス：熱いガスは、太陽表面に上昇し、熱を放射し、その後冷却し、バックダウンシンクします。 あなたは水の鍋を沸騰させるときに似たようなものを見ます。,

太陽地震学は、太陽の放射内部とその対流包絡線との間の境界の位置を特定する。 “それは音波のグリッチとして現れます”とPinsonneault氏は言います。 その結果、この境界は太陽半径の正確に71.3パーセントで発生することがわかりました。 しかし、太陽の酸素、炭素、ネオン、窒素が実際に少ない場合、太陽の内部は不透明ではなく、放射が太陽の中心から遠くに熱を運ぶことを可能にし、日地震学的観測と矛盾する。, “私たちは太陽を理解していないか、間違っているかのどちらかです”とPinsonneaultは、2011年の講演で、彼がより高い酸素存在量を支持したと述べました。

それでも、Pinsonneaultは、Asplundの新しいモデルが以前のモデルよりも優れており、太陽存在量の再決定が有効であることを認めています。 一つには、Asplundのモデルは、以前の作業が無視していた対流を考慮に入れています。 彼のチームはまた、おそらく酸素から生じた赤いスペクトル線は、実際には酸素とニッケルのブレンドであることを認識しました。

問題の多くは酸素原子自体に起因しています。 “それはただのトラブルの子供です”とPinsonneaultは言います。, “それは常にトラブルの子供だった。”

一般的な酸素はありますが、日光の下ではスペクトル線がほとんどなく、分析が難しいため、元素はその存在量についての手がかりはほとんど残 “対照的に、誰もが太陽の鉄の豊富さに同意します”とPinsonneault氏は言います。 鉄は分析のために熟しているスペクトル線の茄多を生成するためです。ピンソンは、このように、一見永遠な論争をイライラさせると呼んでいます。 “問題を解決するための新しい情報を得るのは驚くほど難しいことでした”と彼は言います。 “これを解読できるようにするには、新しいデータが必要です。,”

太陽の下で何か新しいもの

幸いなことに、新鮮なデータはすぐに来るでしょう。 実験室では、物理学者は、太陽の内部に広がる激しい温度にそれらをさらすことによって、異なる要素の不透明度を測定することができます。 近年、科学者たちは、これらの実験をさらに高い温度になだめました—対流放射境界で、太陽表面の下の深いものと同様の条件をプローブするのに十分高い-そして正確な数を得るために十分に大きくて長寿命のプラズマで。,

2015年にジム-ベイリー、サンディア国立研究所の実験物理学者、および彼の同僚は、太陽の下で鉄の不透明度が実際に予想よりも高いことを報告しました。 “私たちの結果は、天文学のコミュニティをかなり幸せにしました”と彼は言います、”それは、少なくとも彼らが標準的な太陽モデルと日地震学と最高の”

ベイリーは今、酸素に彼の注意を回し、三年間で彼の最初の結果を期待しています。, 酸素が現在計算されているよりも不透明であることが判明した場合、太陽は放射対流境界の観測された位置を維持するために要素の多くを必要と それは、新しい太陽の存在量と太陽地震学との間の不一致を排除することができます。

一方、AsplundとPinsonneaultの両方が別の有望な解決策を指しています。 太陽のコアがエネルギーを生成すると、それはニュートリノ、離れてジップし、約八分後に地球に到達する幽霊のような粒子を放出します。 これらのニュートリノの進行中の研究は、元素存在量を推定する新しい方法を提供するはずです。, これは、水素をヘリウムに変換する触媒として炭素、窒素、酸素を使用するプロセスで特定のニュートリノが発生するためです。

このCNOサイクルは太陽のエネルギーの約1パーセントしか生成しませんが、太陽が本当に持っている炭素、窒素、酸素が多ければ多いほど、これらのCNOニュートリノはより多く存在するはずです。 六年前、物理学者は太陽の主な核反応からニュートリノを検出するためにイタリアのBorexino実験を使用しました。, 今週、Borexinoの研究者は、この同じ実験がCNOニュートリノをピックアップしたことを発表しました。

最後の評決？

ロッダーは希望のもう一つの理由を指摘しています。 むかしむかし、天文学者は宇宙の鉄の豊富さについて主張しました：太陽スペクトルは隕石とは異なるレベルを与えました。 “それは長い間大きな謎でした”と彼女は言います。 議論は、天文学者が鉄のために新しく測定された原子パラメータを使用し、隕石の結果を立証し、太陽鉄の存在量の計算を修正したときに終了しました。,

Asplundは、進行中の不透明度とニュートリノ実験が論争を解決することを期待しています。 “私はそれに私の家を賭けないだろう”と彼は言う、”しかし、私たちが実際に答えが10年後に何であるかを知らなければ、私は非常に失望するだろう。”

この記事は、もともとKnowable Magazine、毎年恒例のレビューから独立したジャーナリズムの努力に登場しました。