los astrónomos todavía no saben exactamente de qué está hecho el sol

mientras los astrónomos observan las profundidades del espacio, lo hacen con inquietud: no saben exactamente de qué está hecho el universo.

no es solo la verdadera naturaleza de la materia oscura lo que los elude; también lo hace la esencia de las estrellas que motean el cielo y pueblan las muchas galaxias en todo el cosmos., Sorprendentemente, nadie sabe la composición química exacta de las estrellas: cuántos átomos de carbono, nitrógeno y oxígeno tienen en relación con el hidrógeno, el elemento más común.

estos números son cruciales, porque afectan cómo viven y mueren las estrellas, qué tipos de planetas se forman e incluso qué tan fácilmente podría surgir la vida en otros mundos.

hace veinte años, los astrónomos expresaron su confianza en los números con los que habían estado trabajando. Ahora, no tanto. El problema no está en los rincones más lejanos del cosmos, sino mucho más cerca de casa. Sorprendentemente, los científicos no saben exactamente de qué está hecho el sol., Como resultado, tampoco saben de qué están hechas las otras estrellas.

«El Sol es un criterio fundamental», dice Martin Asplund, astrofísico del Instituto Max Planck de Astrofísica en Garching, Alemania. «Cuando determinamos la abundancia de un determinado elemento en una estrella o una galaxia o una nube de gas en cualquier parte del universo, usamos el sol como punto de referencia.»

eso tiene sentido. El sol constituye el 99,86 por ciento de la masa del sistema solar., Cualquier encuestador que consultara el mismo porcentaje de votantes No tendría problemas para predecir el resultado de las próximas elecciones.

la ubicación del sol en la Vía Láctea también lo convierte en un buen representante de toda la galaxia. Al igual que las opiniones políticas varían desde el núcleo urbano hasta el campo, las abundancias estelares cambian desde el Centro Galáctico hasta el borde, y el sol pasa a estar en la posición perfecta — aproximadamente a mitad de camino desde el Centro de la Vía Láctea hasta el borde de su disco de estrellas — para tomar muestras de toda la galaxia.,

Además, la mayoría de las estrellas del universo residen en galaxias gigantes como la Vía Láctea, lo que hace del sol una piedra de toque para todo el cosmos.

Además, el sol es tan brillante que los astrónomos pueden estudiar los detalles de su luz con una precisión exquisita. Eso debería permitirles determinar las abundancias exactas de los elementos químicos del sol.

durante casi un siglo, los astrónomos han juzgado a las estrellas normales o no viendo si sus composiciones químicas coinciden con las del sol.,

Es por eso que el artículo sobre la composición química del sol de Asplund y sus colegas en la revisión anual de Astronomía y Astrofísica de 2009 ha obtenido más de 4,000 citas académicas de otros científicos: los astrónomos comparan constantemente estrellas y galaxias con el sol. Es el estándar universal.

pero el trabajo de Asplund es controvertido. Él y sus colegas han utilizado nuevos modelos para analizar la luz solar y encontraron niveles drásticamente más bajos de los elementos pesados más comunes en el sol, incluidos el carbono y el oxígeno, en comparación con cálculos anteriores., (Los astrónomos llaman a la mayoría de los elementos más pesados que el helio «pesados».») Por lo tanto, el trabajo de Asplund implica que las otras estrellas y de hecho todo el cosmos tienen una cantidad mucho menor de elementos pesados de lo que se pensaba anteriormente.

Tomar oxígeno. «Este es el elemento pesado más abundante en el universo», dice Marc Pinsonneault, astrónomo de la Universidad Estatal de Ohio., Ha sido un crítico de los números de Asplund porque conducen a conflictos con las observaciones del interior del sol.

«el sol es una de las únicas formas que tenemos de medir realmente la cantidad de oxígeno que hay. Así que si Asplund es correcto means eso significa que hay un 40 por ciento menos de oxígeno en el período del universo, porque todas nuestras mediciones se multiplican por lo que suponemos para el sol», dice Pinsonneault.

la controversia ha perdurado durante 20 años; ninguna de las partes ha cedido ante la otra. «Todavía no hemos encontrado la respuesta», dice Katharina Lodders, cosmoquímica de la Universidad de Washington en St., Louis que adivina abundancias de meteoritos y llama a la disputa de larga data frustrante. «Creo que el’ ¿qué nos estamos perdiendo?»es uno de los mayores desafíos para los científicos. ¿Cómo puede ser que haya algo que no podamos explicar? Debe haber una respuesta.»

los niveles más bajos de oxígeno y otros elementos pesados que Asplund defiende han causado no solo incertidumbre sino también problemas. «Sospeché desde el principio que llevaría a un conflicto», dice.

Sin embargo, tanto Asplund como Pinsonneault dicen que el debate es amistoso., «Estamos muy en desacuerdo con la interpretación científica», dice Asplund, » pero estamos muy contentos de salir a tomar una cerveza después.»

afortunadamente, una variedad de experimentos actuales y futuros pueden finalmente resolver el asunto.

oxígeno: un elemento crítico

a pesar de la controversia, todo el mundo está de acuerdo en lo básico: el sol se compone principalmente de hidrógeno y helio, los dos elementos más ligeros. Genera energía en su centro a través de reacciones nucleares que convierten el hidrógeno en helio. Pero debido al trabajo de Asplund, las cantidades de los siguientes elementos más abundantes están en disputa.,

importa enormemente. El oxígeno representa casi la mitad de todos los átomos pesados en el universo. La mayoría de estos átomos trazan su nacimiento a estrellas mucho más masivas que el sol. Al final de su brillante pero breve vida, estas estrellas fusionan cuatro núcleos de helio para producir oxígeno. Las estrellas finalmente explotan, disparando al elemento que da vida. Solo una supernova puede expulsar más que una masa solar de oxígeno. Si el nivel de oxígeno en el sol y por lo tanto en todo el universo es tan bajo como Asplund cree, estas estrellas masivas productoras de oxígeno han sido mucho menos prolíficas de lo que se pensaba.,

el Oxígeno es vital en formas obvias y no. Lo obvio: necesitamos oxígeno para respirar. Lo menos obvio: más de la mitad de los átomos en las rocas bajo nuestros pies son oxígeno. Y el elemento jugó un papel importante en la formación de todos los planetas en nuestro sistema solar.,

la importancia crítica del oxígeno no termina ahí. Después de todo, hay un átomo de oxígeno en cada molécula de agua. «El agua es esencial para la vida», dice Lodders. «El agua era esencial para formar la vida.»Así que sin oxígeno, sin agua y sin vida.

continúe, Sol caprichoso

aunque es de gran alcance, la controversia sobre la abundancia de oxígeno y otros elementos pesados del sol comenzó por accidente. A finales de la década de 1990, Asplund quería estudiar estrellas antiguas que solo tenían una miseria de elementos pesados. Primero, sin embargo, pensó que era prudente determinar mejor la composición del sol.,

para ello, él y sus colegas desarrollaron nuevos modelos para explicar el espectro solar, el arco iris de colores que emite nuestra estrella. Los átomos de diferentes elementos absorben diferentes longitudes de onda de la luz, produciendo lo que se llaman líneas espectrales. Cuantos más átomos de un elemento en particular existan en la superficie del sol, más luz absorberán los átomos y más fuertes serán las líneas espectrales. De este modo, las líneas espectrales pueden revelar la abundancia de un elemento en relación con el hidrógeno, que es el ingrediente principal del sol.,

debido a que el sol establece el estándar, los científicos pueden ver metafóricamente todo el universo en un solo rayo de sol: analizando el espectro solar, pueden determinar las proporciones de hidrógeno, carbono, nitrógeno y oxígeno en todo el cosmos.

Los nuevos modelos de Asplund eran mucho más sofisticados que los anteriores, evitando simplificaciones y aproximaciones. «No tenía ninguna expectativa real de que esto cambiaría las abundancias solares en absoluto», dice. «Fue una suerte.»

en sus modelos, cada uno de los cuatro elementos pesados más abundantes del universo tuvo un gran impacto. En comparación con las cifras publicadas 20 años antes, el artículo de 2009 de Asplund y colegas recomendó valores mucho más bajos., Los nuevos modelos redujeron el nivel estimado de oxígeno en el sol y, por lo tanto, en el universo en la friolera de 42 por ciento. El carbono, otro requisito previo para la vida, cayó 26 por ciento, mientras que los niveles de neón y nitrógeno cayeron 31 por ciento y 40 por ciento, respectivamente.

según todos los cálculos, estos cuatro elementos representan la gran mayoría (88 por ciento en el trabajo de Asplund, un poco más en otros números) de todos los átomos pesados en el universo. Si Asplund tenía razón, el universo tenía muchas menos de las que nadie había pensado. Y eso significó un gran problema para los modelos del interior del sol.,

dentro del sol

elementos pesados como el oxígeno alteran el interior del sol, porque absorben la radiación a medida que se dirige hacia afuera desde el núcleo solar a la superficie. Usando las antiguas abundancias solares, los astrónomos pensaron que habían descubierto el interior del sol, gracias a una técnica conocida como heliosismología. Así como nuestro mundo tiene terremotos, así el interior del sol vibra con ondas sonoras. Y así como los sismólogos usan los terremotos para deducir la estructura del interior de la tierra, así las vibraciones que ondulan a través del sol han revelado su estructura interna.,

por ejemplo, en la mayor parte del interior del sol, la radiación rebota de átomo a átomo, llevando lentamente el calor del núcleo hacia afuera. En las partes más externas del sol, sin embargo, el material es más frío y más opaco, en gran parte porque los elementos pesados, como el oxígeno, absorben fotones. Esta opacidad significa que los fotones no pueden transportar calor allí. En cambio, un proceso llamado convección se establece: el gas caliente se eleva a la superficie solar, irradia calor, luego se enfría y se hunde de nuevo. Ves algo similar cuando hierves una olla de agua.,

la heliosismología señala la posición del límite entre el interior radiativo del sol y su envolvente convectiva. «Eso se muestra como un fallo en las ondas de sonido», dice Pinsonneault. Como resultado, sabemos que este límite ocurre precisamente en el 71.3 por ciento del radio solar. Pero si el sol realmente tiene menos oxígeno, carbono, neón y nitrógeno, entonces el interior del sol es menos opaco, permitiendo que la radiación lleve el calor más lejos del centro del sol, contradiciendo las observaciones heliosismológicas., «O no entendemos el sol o están equivocados», dijo Pinsonneault en una charla de 2011 donde se mostró a favor de una mayor abundancia de oxígeno.

Sin embargo, Pinsonneault reconoce que los nuevos modelos de Asplund son superiores a los anteriores y su redeterminación de las abundancias solares debería ser válida. Por un lado, los modelos de Asplund tienen en cuenta la convección, que el trabajo anterior había descuidado. Su equipo también reconoció que una línea espectral roja que supuestamente surgió del oxígeno es en realidad una mezcla de oxígeno y níquel; restando la contribución del níquel condujo a una menor abundancia de oxígeno.

gran parte del problema proviene del átomo de oxígeno en sí. «Es solo un niño problemático», dice Pinsonneault., «Siempre ha sido un niño problemático.»

aunque el oxígeno es común, produce pocas líneas espectrales en la luz solar, todas las cuales son difíciles de analizar, por lo que el elemento deja pocas pistas sobre su abundancia. «Por el contrario, todo el mundo está de acuerdo en la abundancia de hierro solar», dice Pinsonneault. Eso es porque el hierro produce una plétora de líneas espectrales que están maduras para el análisis.

como Lodders, Pinsonneault llama frustrante la disputa aparentemente eterna. «Ha sido sorprendentemente difícil obtener nueva información para resolver el problema», dice. «Solo necesitamos nuevos datos para poder descifrar esto.,»

algo nuevo bajo el sol

Afortunadamente, los datos frescos llegarán pronto. En el laboratorio, los físicos pueden medir las opacidades de diferentes elementos sometiéndolos a las tórridas temperaturas que prevalecen dentro del sol. En los últimos años, los científicos han persuadido a estos experimentos a temperaturas aún más altas – lo suficientemente calientes como para sondear condiciones similares a las que se encuentran en las profundidades de la superficie solar, en el límite convectivo-radiativo — y en plasmas lo suficientemente grandes y de larga vida como para producir números precisos.,

en 2015 Jim Bailey, un físico experimental en Sandia National Laboratories, y sus colegas informaron que la opacidad del hierro en el sol es de hecho más alta de lo esperado. «Nuestro resultado hizo muy feliz a la comunidad astronómica», dice, » porque significa que hay al menos una esperanza de que puedan conciliar lo que creen que son las mejores estimaciones de Abundancia con el modelo solar estándar y con la heliosismología.»

Bailey ahora ha dirigido su atención al oxígeno y espera sus primeros resultados en tres años., Si el oxígeno resulta ser más opaco de lo que se calcula actualmente, entonces el sol no necesita tanto del elemento para mantener la ubicación observada del límite radiativo-convectivo. Eso podría eliminar la discrepancia entre las nuevas abundancias solares y la heliosismología.

Mientras Tanto, Tanto Asplund como Pinsonneault apuntan a otra solución prometedora. A medida que el núcleo del sol genera energía, emite neutrinos, partículas fantasmales que se alejan y llegan a la tierra unos ocho minutos después. Los estudios en curso de estos neutrinos deberían ofrecer una nueva forma de estimar las abundancias elementales., Esto se debe a que ciertos neutrinos surgen en un proceso que utiliza carbono, nitrógeno y oxígeno como catalizadores para convertir hidrógeno en helio.

Este ciclo de CNO genera solo alrededor del 1 por ciento de la energía del sol, pero cuanto más carbono, nitrógeno y oxígeno tenga el sol, más neutrinos de CNO deberían existir. Hace seis años, los físicos utilizaron el experimento Borexino en Italia para detectar neutrinos de la principal reacción nuclear del sol., Esta semana, Los investigadores de Borexino anunciaron que este mismo experimento ha recogido los neutrinos de CNO, lo que significa que es solo cuestión de tiempo hasta que ayuden a revelar las abundancias solares.

El veredicto final?

Lodders señala otra razón para la esperanza. Érase una vez, los astrónomos discutieron sobre la abundancia cósmica de hierro: el espectro solar dio un nivel diferente al de los meteoritos. «Fue un gran misterio durante mucho tiempo», dice. El debate terminó cuando los astrónomos usaron parámetros atómicos recientemente medidos para el hierro y revisaron sus cálculos de la abundancia de hierro solar, reivindicando el resultado meteorítico.,

Asplund espera que los experimentos en curso de opacidad y neutrinos resuelvan la controversia. «No apostaría mi casa por ello», dice, » pero estaría muy decepcionado si en realidad no sabemos cuál es la respuesta dentro de 10 años.»

Este artículo apareció originalmente en Knowable Magazine, un esfuerzo periodístico independiente de las revisiones anuales.