Astronomer vet fortsatt ikke nøyaktig hva solen er laget av

Som astronomer blikket inn i dypet av verdensrommet, de gjør så med uro: De vet ikke nøyaktig hva universet er laget av.

Det er ikke bare den sanne natur av mørk materie som unnviker dem, så gjør essensen av stjernene som speckle himmelen og fylle de mange galakser i hele kosmos., Overraskende, ingen vet stjernene » nøyaktig kjemisk sammensetning: hvor mange karbon, nitrogen og oksygen atomer de har i forhold til hydrogen, er den vanligste element.

Disse tallene er viktige fordi de påvirker hvordan stjerner leve og dø, hva slags planeter form og selv hvor lett liv kan oppstå på andre verdener.

Tjue år siden, har astronomer uttrykte tillit i tallene de hadde jobbet med. Nå, ikke så mye. Problemet ligger ikke i de ytterste delene av kosmos, men mye nærmere hjemme. Utrolig, forskerne vet ikke nøyaktig hva solen er laget av., Som et resultat, de vet ikke hva de andre stjernene er laget av, heller.

«The sun er en grunnleggende målestokk,» sier Martin Asplund, en astrofysiker ved Max Planck-Institutt for Astrofysikk i Garching, Tyskland. «Når vi fastslå overflod av et bestemt element i en stjerne eller en galakse eller en gass-sky hvor som helst i universet, kan vi bruke solen som et referansepunkt.»

Det er fornuftig. Solen utgjør 99.86 prosent av solsystemet masse., Noen pollster som konsultert med samme prosent av velgerne ville ha noe problem å forutsi utfallet av neste valg.

solens plassering i melkeveien som også gjør det til en god representant for hele galaksen. Akkurat som politiske meninger variere fra den urbane kjernen til landsbygda, så stellar abundances endre fra det galaktiske sentrum til kanten, og solen skjer for å være i perfekt posisjon — omtrent halvveis fra melkeveien sentrum til utkanten av sin disk-stjerner — til å smake på hele galaksen.,

Hva er mer, de fleste stjernene i universet bor i store galakser som melkeveien, som gjør solen en prøvestein for hele kosmos.

Pluss, solen er så lyse at astronomene kan studere detaljer av lys med utsøkt presisjon. Det bør tillate dem å fastslå den eksakte abundances av solens kjemiske elementer.

For nesten et århundre, og astronomene har dømt stjerner normalt eller ikke ved å se om deres kjemiske sammensetninger match solen er. De fleste stjernene i nærheten av oss, og noen ikke.,

Det er grunnen til artikkelen på solen kjemisk sammensetning av Asplund og hans kolleger i 2009 Årlig Gjennomgang av Astronomi og Astrofysikk har fått mer enn 4000 akademiske sitater fra andre forskere: Astronomer stadig sammenligne stjerner og galakser til solen. Det er den universelle standarden.

Men Asplund arbeid er kontroversielt. Han og hans kolleger har brukt nye modeller til å analysere sollys og funnet drastisk lavere nivåer av de mest vanlige tunge elementer i solen — inkludert karbon og oksygen — sammenlignet med tidligere beregninger., (Astronomer kaller de fleste elementer tyngre enn helium «tung.») Asplund arbeid innebærer derfor at de andre stjernene og faktisk hele kosmos har en mye mindre mengde av tunge elementer enn tidligere antatt.

Ta oksygen. «Dette er den mest tallrike tunge element i universet,» sier Marc Pinsonneault, en astronom ved Ohio State University., Han har vært en kritiker av Asplund er tall, fordi de fører til konflikter med observasjoner av solens indre.

«The sun er en av de eneste måtene vi har for faktisk å måle hvor mye oksygen det er. Så hvis Asplund er riktig … det betyr at det er 40 prosent mindre oksygen i universet periode, fordi alle våre målinger få multiplisert med hva vi anta for solen,» Pinsonneault sier.

striden har pågått i 20 år, og siden har gitt til andre. «Vi har ikke funnet svar på ennå, sier Katharina Lodders, en cosmochemist ved Washington University i St., Louis som geistlige abundances fra meteoritter og kaller den langvarige tvister som frustrerende. «Jeg tenker» Hva er det vi mangler?’er en av de største utfordringene for forskerne. Hvordan kan det ha seg, at det er noe vi ikke kan forklare? Det må være et svar.»

Den lavere nivåer av oksygen og andre tunge elementer som Asplund talsmenn har forårsaket ikke bare usikkerhet, men også problemer. «Jeg mistenkte tidlig at det ville føre til en konflikt, sier han.

Men begge Asplund og Pinsonneault si at debatten er en vennlig ett., «Vi er uenige veldig sterkt på vitenskapelig tolkning,» Asplund sier, «men vi er veldig glad for å gå ut for en øl etterpå.»

Heldigvis, et utvalg av nåværende og fremtidige eksperimenter kan endelig løsning på saken.

Oksygen: Et kritisk element

til Tross for kontroversen, alle er enige om det grunnleggende: solen består hovedsakelig av hydrogen og helium, de to letteste elementene. Det genererer energi i midten gjennom kjernefysiske reaksjoner som omdanner hydrogen til helium. Men på grunn av Asplund arbeid, mengder av den neste mest tallrike elementer er i tvisten.,

Det betyr enormt. Oksygen står for nesten halvparten av alle tunge atomer i universet. De fleste av disse atomene spore sine fødsel til stjernene mye mer massiv enn sola. Sent i sin lyse, men kort liv, disse stjernene sikring fire heliumkjerner sammen for å lage oksygen. Stjernene til slutt eksploderer, skyting den livgivende element unna. Bare en supernova kan løse ut mer enn en solar masse oksygen. Hvis oksygennivået i solen og dermed hele universet er så lav som Asplund mener, disse massive oksygen for å produsere stjerner har blitt mye mindre produktive enn det som har vært antatt.,

Oksygen er viktig på måter som både åpenbare og ikke. Det åpenbare: Vi trenger oksygen for å puste. De mindre åpenbare: Mer enn halvparten av atomene i bergarter under føttene våre er oksygen. Og element spilt en viktig rolle i dannelsen av alle planetene i vårt solsystem.,

Oksygen er kritisk betydning er ikke slutt med det. Tross alt, det er et oksygen atom i hvert molekyl vann. «Vann er avgjørende for liv,» sier Lodders. «Vann var viktig for å danne liv.»Så ikke oksygen, ikke vann og ikke noe liv.

Bære på, villfarne solen

vidtrekkende selv om det er, det suser striden om solen har overflod av oksygen og andre tunge elementer i gang ved et uhell. I slutten av 1990-tallet, Asplund ønsket å studere gamle stjerner som bare hadde en liten lønn av tunge elementer. Første, selv om han trodde det lurt å bedre fastslå solen sammensetning.,

for Å gjøre det, han og hans kolleger utviklet nye modeller for å forklare solens spektrum, alle regnbuens farger våre star gir av. Atomer av ulike elementer absorberer forskjellige bølgelengder av lys, produserer det som er kalt spektral linjer. Jo flere atomer av et bestemt element som finnes på solens overflate, jo mer lys atomene absorbere og sterkere spektral linjer. Spektral linjer dermed kan avsløre et element er overflod i forhold til hydrogen, som er sola viktigste ingrediens.,

Fordi solen setter standarden, forskere kan metaforisk se hele universet i en eneste solstråle: Ved å analysere solens spektrum, de kan bestemme andelen av hydrogen, karbon, nitrogen og oksygen gjennom hele kosmos.

Asplund nye modeller var mye mer sofistikert enn forrige, eschewing forenklinger og approksimasjoner. «Jeg hadde ingen reell forventning om at dette ville endre solenergi abundances i det hele tatt, sier han. «Det var litt heldig skudd.»

I sine modeller, hver av universets fire mest tallrike av tunge elementer tok en stor hit. Sammenlignet med tall publisert 20 år tidligere, 2009 artikkel av Asplund og kolleger anbefales sterkt lavere verdier., De nye modellene kuttet estimert oksygen nivå i solen, og dermed i universet av hele 42 prosent. Carbon, en annen forutsetning for livet, falt 26 prosent, mens neon og nitrogen nivåer falt 31 prosent og 40 prosent.

Ved alle beregninger, disse fire elementene konto for de aller fleste (88 prosent i Asplund arbeid, en litt mer i andre tall) av alle tunge atomer i universet. Hvis Asplund var riktig, universet hadde langt færre av dem enn noen hadde tenkt. Og det betydde store problemer for modeller av solens indre.,

I solen

Tunge elementer som oksygen endre solens indre, fordi de absorberer stråling som det wends sin vei utover fra solens kjerne til overflaten. Ved hjelp av den gamle solar abundances, astronomer trodde de hadde solens indre funnet ut, takket være en teknikk kjent som helioseismology. Akkurat som vår verden har jordskjelv, så solens indre vibrerer med lydbølger. Og akkurat som seismologer bruk skjelv å utlede strukturen av Jordens indre, slik at vibrasjonene rippling through the sun har åpenbart sin indre struktur.,

For eksempel, i de fleste av solens indre, stråling spretter fra atom til atom, sakte bærer varmen fra kjernen og utover. I de ytterste delene av solen, men materialet er kjøligere og mer uklar, hovedsakelig på grunn av tunge elementer, slik som oksygen, absorberer fotoner. Denne uklarheten betyr fotoner kan ikke ferge varme der. I stedet, en prosess som kalles konveksjon setter i: Varm gass stiger til solens overflate, utstråler varme, deretter avkjøles og synker ned igjen. Ser du noe lignende når du koke en kopp vann.,

Helioseismology peikt posisjon på grensen mellom solens radiative interiør og konvektiv konvolutt. «Som viser seg som en feil i lydbølger,» Pinsonneault sier. Som et resultat, vi vet at denne grensen oppstår på nøyaktig 71.3 prosent av solens radius. Men hvis solen har faktisk mindre oksygen, karbon, neon og nitrogen, da solens indre er mindre gjennomsiktig, slik at stråling til å bære varme lenger fra solens sentrum, motstridende den helioseismological observasjoner., «Enten er vi ikke forstår solen eller er feil,» Pinsonneault sa på en 2011-tale, der han favoriserte en høyere oksygen overflod.

Likevel, Pinsonneault erkjenner at Asplund nye modeller er bedre enn tidligere, og deres redetermination av solenergi abundances skal være gyldig. For én ting, Asplund er modeller som tar hensyn til konveksjon, som tidligere arbeidet hadde forsømt. Hans team har også anerkjent som en rød spektral linje som angivelig oppsto fra oksygen er faktisk en blanding av oksygen og nikkel; trekke nikkel bidrag førte til en lavere oksygen overflod.

Mye av problemet stammer fra oksygen atom seg selv. «Det er bare en problemfri barn,» Pinsonneault sier., «Det har alltid vært en problemfri barn.»

Vanlig selv om oksygen er den produserer noen spektral linjer i sollys, alle som er vanskelig å analysere, slik at elementet etterlater noen ledetråder til sin overflod. «Derimot, er alle enig om solar strykejern overflod,» Pinsonneault sier. Det er fordi strykejern produserer en mengde spektral linjer som er moden for analyse.

Som Lodders, Pinsonneault kaller den tilsynelatende evige tvist frustrerende. «Det har vært overraskende vanskelig å få ny informasjon for å løse problemet,» sier han. «Vi trenger bare nye data for å være i stand til å knekke denne.,»

Noe nytt under solen

Heldigvis, ferske data vil komme snart. I laboratoriet, fysikere kan måle opasiteter av ulike elementer ved å utsette dem til torrid temperaturer som råder inne i solen. I de senere år har forskere fikk disse eksperimentene til enda høyere temperaturer — varmt nok til å probe vilkår ligner de som dypt under solens overflate, ved konvektiv-radiative grense — og i plasmaer er tilstrekkelig stor og lang levetid for å gi nøyaktige tall.,

I 2015 Jim Bailey, en eksperimentell fysiker ved Sandia National Laboratories, og hans kolleger rapporterte at tettheten av jern i solen er faktisk høyere enn forventet. «Vår resultatet gjorde astronomi samfunnet ganske fornøyd,» sier han, «fordi det betyr at det er minst et håp om at de kan forene hva de mener er de beste tallrikhetsestimater med standard solar modell og med helioseismology.»

Bailey har nå slått sin oppmerksomhet til oksygen og forventer sin første resultatene i tre år., Hvis oksygen viser seg å være mer uklar enn det som er beregnet, da solen ikke trenger så mye av element for å opprettholde den observerte plasseringen av radiative-konvektiv grensen. Det kunne eliminere avvik mellom den nye solar abundances og helioseismology.

i Mellomtiden, både Asplund og Pinsonneault punkt til et annet lovende løsning. Som solens kjerne genererer energi, er det avgir neutrinos, spøkelsesaktige partikler som zip unna, og nå Jorden rundt åtte minutter senere. Pågående studier av disse neutrinos bør tilby en ny måte å beregne elemental abundances., Det er fordi visse neutrinos fremkomme i en prosess som bruker karbon, nitrogen og oksygen som katalysatorer for å konvertere hydrogen til helium.

Dette BIKKE syklus genererer bare om lag 1 prosent av solens energi, men mer karbon, nitrogen og oksygen solen virkelig har, jo mer av disse BIKKE neutrinos bør eksistere. For seks år siden, fysikere brukt Borexino eksperiment i Italia for å oppdage neutrinos fra solen viktigste kjernefysisk reaksjon., Denne uken, Borexino forskere kunngjorde at denne samme eksperimentet har plukket opp BIKKE neutrinos, noe som betyr at det er bare et spørsmål om tid før de hjelpe avsløre solar abundances.

Den endelige dommen?

Lodders notater annen grunn til håp. En gang i tiden, astronomer anført over den kosmiske strykejern overflod: solens spektrum ga et annet nivå enn meteoritter gjorde. «Det var et stort mysterium for en lang tid,» sier hun. Debatten ble avsluttet da astronomene brukte nylig målt atomic parametere for jern og revidert sine beregninger av solenergi strykejern overflod, vindicating the meteoritic resultat.,

Asplund forventer den pågående dekkevne og neutrino eksperimenter for å løse uenigheten. «Jeg ville ikke satse huset mitt på det,» sier han, «men jeg ville bli svært skuffet dersom vi ikke egentlig vet hva svaret er i en 10 års tid.»

Denne artikkelen opprinnelig dukket opp i Knowable Magazine, en uavhengig journalistisk bestrebelse fra Årlige Vurderinger.