astronomen weten nog steeds niet precies waar de zon van gemaakt is

terwijl astronomen in de diepten van de ruimte kijken, doen ze dat met onbehagen: ze weten niet precies waar het heelal van gemaakt is.

Het is niet alleen de ware aard van donkere materie die hen ontgaat, maar ook de essentie van de sterren die de hemel spikkelen en de vele sterrenstelsels in de kosmos bevolken., Verrassend genoeg weet niemand de exacte chemische samenstelling van de sterren: hoeveel koolstof -, stikstof-en zuurstofatomen ze hebben ten opzichte van waterstof, het meest voorkomende element.

deze getallen zijn cruciaal, omdat ze van invloed zijn op hoe sterren leven en sterven, welke soorten planeten zich vormen en zelfs hoe gemakkelijk leven op andere werelden kan ontstaan.

twintig jaar geleden spraken astronomen hun vertrouwen uit in de aantallen waarmee ze werkten. Nu niet zo veel. Het probleem ligt niet in de verste uithoeken van de kosmos, maar veel dichter bij huis. Verbazingwekkend genoeg weten wetenschappers niet precies waar de zon van gemaakt is., Daardoor weten ze ook niet waar de andere sterren van gemaakt zijn.hoewel de exacte hoeveelheid zuurstof van de zon controversieel is, betwist niemand dat sterren die veel zwaarder zijn dan de zon — vergelijkbaar met de helderste sterren die nu geboren worden in de Orionnevel (getoond) — het grootste deel van de zuurstof die vandaag de dag op aarde en in het heelal gevonden wordt, hebben vervalst. CREDIT: NASA / ESA / M., ROBBERTO (SPACE TELESCOPE SCIENCE INSTITUTE/ESA) en het HUBBLE SPACE TELESCOPE ORION TREASURY PROJECT TEAM

“De Zon is een fundamentele maatstaf,” zegt Martin Asplund, een astrofysicus aan het Max Planck Instituut voor Astrofysica in Garching, Duitsland. “Wanneer we de overvloed van een bepaald element in een ster of een melkwegstelsel of een gaswolk waar dan ook in het heelal bepalen, gebruiken we de zon als referentiepunt.”

dat is logisch. De zon vormt 99,86 procent van de massa van het zonnestelsel., Elke pollster die hetzelfde percentage kiezers raadpleegde zou geen probleem hebben met het voorspellen van de uitkomst van de volgende verkiezingen.

de locatie van de zon in de Melkweg maakt het ook een goede representatie van het hele melkwegstelsel. Net zoals de politieke meningen variëren van de stedelijke kern tot het platteland, zo veranderen de steraantallen van het galactische centrum naar de rand, en de zon bevindt zich in de perfecte positie — ongeveer halverwege van het centrum van de Melkweg naar de rand van de sterrenschijf — om het hele melkwegstelsel te bemonsteren.,

bovendien bevinden de meeste sterren in het heelal zich in reuzenstelsels zoals de Melkweg, waardoor de zon een toetssteen is voor de hele kosmos.

Plus, de zon is zo helder dat astronomen details van haar licht met exquise precisie kunnen bestuderen. Dat moet hen in staat stellen om de exacte abundantie van de chemische elementen van de zon te bepalen.al bijna een eeuw lang beoordelen astronomen sterren normaal of niet door te kijken of hun chemische samenstelling overeenkomt met die van de zon. de meeste sterren in de buurt doen dat, sommige niet.,daarom heeft het artikel over de chemische samenstelling van de zon door Asplund en zijn collega ‘ s in de 2009 Annual Review of Astronomy and Astrophysics meer dan 4.000 academische citaten verzameld van collega-wetenschappers: astronomen vergelijken voortdurend sterren en sterrenstelsels met de zon. Het is de universele standaard.

maar het werk van Asplund is controversieel. Hij en zijn collega ‘ s hebben nieuwe modellen gebruikt om zonlicht te analyseren en vonden drastisch lagere niveaus van de meest voorkomende zware elementen in de zon — inclusief koolstof en zuurstof — in vergelijking met eerdere berekeningen., (Astronomen noemen de meeste elementen zwaarder dan helium “zwaar.”) Asplund ‘ s werk impliceert daarom dat de andere sterren en inderdaad de hele kosmos een veel kleinere hoeveelheid zware elementen hebben dan eerder gedacht.

neem zuurstof. “Dit is het meest voorkomende zware element in het universum”, zegt Marc Pinsonneault, een astronoom aan de Ohio State University., Hij is een criticus geweest van Asplund ‘ s getallen omdat ze leiden tot conflicten met observaties van het binnenste van de zon.

“De Zon is een van de enige manieren waarop we daadwerkelijk kunnen meten hoeveel zuurstof er is. Dus als Asplund gelijk heeft … betekent dat dat er 40 procent minder zuurstof is in het universum, omdat al onze metingen vermenigvuldigd worden met wat we aannemen voor de zon,” zegt Pinsonneault.

De controverse duurt al 20 jaar; geen van beide partijen heeft toegegeven aan de andere. “We hebben het antwoord nog niet gevonden”, zegt Katharina Lodders, een cosmochemist aan de Washington University in St., Louis die overvloed van meteorieten voorspelt en het langdurige geschil frustrerend noemt. “Ik denk dat de’ wat missen we?’is een van de grootste uitdagingen voor wetenschappers. Hoe kan dat, dat er iets is dat we niet kunnen verklaren? Er moet een antwoord zijn.”

de lagere niveaus van zuurstof en andere zware elementen die Asplund bepleit, hebben niet alleen onzekerheid maar ook problemen veroorzaakt. “Ik vermoedde al heel vroeg dat het tot een conflict zou leiden”, zegt hij.

toch zeggen zowel Asplund als Pinsonneault dat het debat een vriendelijk debat is., “We zijn het zeer oneens over de wetenschappelijke interpretatie, “zegt Asplund,” maar we zijn erg blij om na afloop een biertje te gaan drinken.”

gelukkig kan een verscheidenheid aan huidige en toekomstige experimenten uiteindelijk de zaak oplossen.

zuurstof: een kritisch element

ondanks de controverse is iedereen het eens over de basis: de zon bestaat voornamelijk uit waterstof en helium, de twee lichtste elementen. Het genereert energie in het centrum door kernreacties die waterstof omzetten in helium. Maar door het werk van Asplund, zijn de hoeveelheden van de volgende meest voorkomende elementen in discussie.,

Het is enorm belangrijk. Zuurstof is goed voor bijna de helft van alle zware atomen in het heelal. De meeste van deze atomen herleiden hun geboorte tot sterren die veel zwaarder zijn dan de zon. Laat in hun heldere, maar korte leven, smelten deze sterren vier heliumkernen samen om zuurstof te maken. De sterren exploderen uiteindelijk en schieten het levengevende element weg. Slechts één supernova kan meer dan een zonnemassa zuurstof uitwerpen. Als het zuurstofniveau in de zon en dus in het hele universum zo laag is als Asplund gelooft, zijn deze enorme zuurstofproducerende sterren veel minder productief geweest dan men dacht.,

zuurstof is zowel duidelijk als niet van vitaal belang. Het voor de hand liggende: we hebben zuurstof nodig om te ademen. Minder voor de hand liggend: meer dan de helft van de atomen in de rotsen onder onze voeten zijn zuurstof. En het element speelde een belangrijke rol in de vorming van alle planeten in ons zonnestelsel.,

het kritische belang van zuurstof houdt hier niet op. Er zit immers een zuurstofatoom in elk watermolecuul. “Water is essentieel voor het leven”, zegt Lodders. “Water was essentieel voor het vormen van leven.”Dus geen zuurstof, geen water en geen leven.

Carry on, wayward sun

hoewel het verregaand is, begon de sudderende controverse over de overvloed aan zuurstof en andere zware elementen van de zon bij toeval. In de late jaren 1990, Asplund wilde oude sterren die slechts een schijntje van zware elementen had bestuderen. Maar eerst vond hij het verstandig om de samenstelling van de zon beter vast te stellen.,om dit te doen, ontwikkelden hij en zijn collega ‘ s nieuwe modellen om het zonnespectrum te verklaren, de regenboog van kleuren die onze ster afgeeft. Atomen van verschillende elementen absorberen verschillende golflengten van licht, waardoor zogenaamde spectraallijnen ontstaan. Hoe meer atomen van een bepaald element op het oppervlak van de zon aanwezig zijn, hoe meer licht de atomen absorberen en hoe sterker de spectraallijnen. Spectraallijnen kunnen zo de overvloed van een element onthullen ten opzichte van waterstof, het belangrijkste ingrediënt van de zon.,omdat de zon de standaard zet, kunnen wetenschappers metaforisch het hele universum in één zonnestraal zien: door het zonnespectrum te analyseren, kunnen ze de verhoudingen van waterstof, koolstof, stikstof en zuurstof in de hele kosmos bepalen.

De nieuwe modellen van Asplund waren veel geavanceerder dan de vorige, en vermijdden vereenvoudigingen en benaderingen. “Ik had niet echt verwacht dat dit de zonne-abundanties zou veranderen”, zegt hij. “Het was een soort van gelukstreffer.”

in zijn modellen kreeg elk van de vier meest voorkomende zware elementen van het universum een grote hit. In vergelijking met cijfers die 20 jaar eerder werden gepubliceerd, werd in het artikel van 2009 door Asplund en collega ‘ s sterk lagere waarden aanbevolen., De nieuwe modellen sneden het geschatte zuurstofgehalte in de zon en dus in het heelal met maar liefst 42 procent. Koolstof, een andere voorwaarde voor het leven, daalde 26 procent, terwijl de neon en stikstof niveaus daalde 31 procent en 40 procent, respectievelijk.volgens alle berekeningen zijn deze vier elementen verantwoordelijk voor de overgrote meerderheid (88 procent in het werk van Asplund, iets meer in andere getallen) van alle zware atomen in het universum. Als Asplund gelijk had, had het universum er veel minder dan iemand had gedacht. En dat betekende grote problemen voor modellen van het interieur van de zon.,

binnen de zon

zware elementen zoals zuurstof veranderen de binnenkant van de zon, omdat ze straling absorberen als ze zich een weg naar buiten van de kern van de zon naar het oppervlak. Met behulp van de oude zonne-abundanties dachten astronomen dat ze het binnenste van de zon hadden uitgezocht, dankzij een techniek die bekend staat als helioseismologie. Net zoals onze wereld aardbevingen heeft, zo trilt het binnenste van de zon met geluidsgolven. En net zoals seismologen aardbevingen gebruiken om de structuur van het binnenste van de aarde af te leiden, zo hebben de trillingen die door de zon kabbelen zijn innerlijke structuur onthuld.,

bijvoorbeeld, in het grootste deel van het binnenste van de zon, stuitert straling van atoom tot atoom, langzaam dragen warmte uit de kern naar buiten. In de buitenste delen van de zon is materiaal echter koeler en ondoorzichtiger, voornamelijk omdat zware elementen, zoals zuurstof, fotonen absorberen. Deze ondoorzichtigheid betekent dat fotonen daar geen warmte kunnen overbrengen. In plaats daarvan treedt een proces in dat convectie heet: heet gas stijgt naar het zonneoppervlak, straalt warmte uit, koelt dan af en zinkt weer naar beneden. Je ziet iets dergelijks als je een pot water kookt.,

Helioseismologie geeft de positie aan van de grens tussen het stralingsinterieur van de zon en haar convectieve omhulsel. “Dat verschijnt als een storing in de geluidsgolven”, zegt Pinsonneault. Als gevolg hiervan weten we dat deze grens plaatsvindt op precies 71,3 procent van de zonneradius. Maar als de zon eigenlijk minder zuurstof, koolstof, neon en stikstof heeft, dan is de binnenkant van de zon minder ondoorzichtig, waardoor straling warmte verder van het centrum van de zon kan dragen, wat in tegenspraak is met de helioseismologische waarnemingen., “Of we begrijpen de zon niet of ze zijn verkeerd,” Pinsonneault zei op een 2011 talk waar hij de voorkeur gaf aan een hogere zuurstof overvloed.

toch erkent Pinsonneault dat de nieuwe modellen van Asplund superieur zijn aan eerdere modellen en dat hun herbepaling van de abundantie van de zon geldig moet zijn. Ten eerste houden de modellen van Asplund rekening met convectie, die in het eerdere werk was verwaarloosd. Zijn team erkende ook dat een rode spectraallijn die vermoedelijk ontstond uit zuurstof eigenlijk een mengsel van zuurstof en nikkel is; het aftrekken van de bijdrage van nikkel leidde tot een lagere zuurstof overvloed.

een groot deel van het probleem komt voort uit het zuurstofatoom zelf. “Het is maar een probleemkind”, zegt Pinsonneault., “Het is altijd een probleemkind geweest.”

hoewel zuurstof vaak voorkomt, produceert het weinig spectraallijnen in zonlicht, die allemaal moeilijk te analyseren zijn, dus laat het element weinig aanwijzingen over zijn overvloed. “Iedereen is het daarentegen eens over de overvloed aan zonne-ijzer”, zegt Pinsonneault. Dat komt omdat ijzer een overvloed aan spectraallijnen produceert die rijp zijn voor analyse.

net als Lodders noemt Pinsonneault het schijnbaar eeuwige geschil frustrerend. “Het is verrassend moeilijk om nieuwe informatie te krijgen om het probleem op te lossen,” zegt hij. “We hebben alleen nieuwe gegevens nodig om dit te kunnen kraken.,”

iets nieuws onder de zon

Gelukkig komen er binnenkort nieuwe gegevens. In het laboratorium kunnen natuurkundigen de opaciteit van verschillende elementen meten door ze te onderwerpen aan de verzengende temperaturen die heersen in de zon. In de afgelopen jaren hebben wetenschappers deze experimenten overgehaald tot nog hogere temperaturen-heet genoeg om omstandigheden te onderzoeken die vergelijkbaar zijn met die diep onder het zonneoppervlak, bij de convectief-stralingsgrens-en in plasma ‘ s die groot genoeg zijn en lang leven om nauwkeurige aantallen op te leveren.,in 2015 rapporteerden Jim Bailey, een experimenteel natuurkundige bij Sandia National Laboratories, en zijn collega ‘ s dat de opaciteit van ijzer in de zon inderdaad hoger is dan verwacht. “Ons resultaat maakte de astronomische gemeenschap vrij gelukkig, “zegt hij,” omdat het betekent dat er op zijn minst een hoop is dat ze wat zij denken dat de beste overvloed schattingen met het standaard zonne-model en met helioseismologie kunnen verzoenen.”

Bailey heeft nu zijn aandacht gericht op zuurstof en verwacht zijn eerste resultaten in drie jaar., Als zuurstof ondoorzichtiger blijkt te zijn dan momenteel berekend, dan heeft de zon niet zoveel van het element nodig om de waargenomen locatie van de radiatief-convectieve grens te behouden. Dat zou de discrepantie tussen de nieuwe zonne-abundanties en helioseismologie kunnen elimineren.

ondertussen wijzen zowel Asplund als Pinsonneault op een andere veelbelovende oplossing. Als de kern van de zon energie genereert, zendt het neutrino ‘ s uit, spookachtige deeltjes die weg zippen en ongeveer acht minuten later de Aarde bereiken. Lopende studies van deze neutrino ‘ s moeten een nieuwe manier bieden om elementaire abundanties te schatten., Dat komt omdat bepaalde neutrino ‘ s ontstaan in een proces dat koolstof, stikstof en zuurstof gebruikt als katalysatoren om waterstof om te zetten in helium.

Deze CNO-cyclus genereert slechts ongeveer 1% van de energie van de zon, maar hoe meer koolstof, stikstof en zuurstof de zon werkelijk heeft, hoe meer van deze CNO-neutrino ‘ s zouden moeten bestaan. Zes jaar geleden gebruikten natuurkundigen het Borexino-experiment in Italië om neutrino ‘ s te detecteren uit de kernreactie van de zon., Deze week hebben de onderzoekers van Borexino aangekondigd dat dit zelfde experiment de CNO-neutrino ‘ s heeft opgepikt, wat betekent dat het slechts een kwestie van tijd is voordat ze helpen de zonne-abundanties te onthullen.

het eindoordeel?

Lodders noteert nog een reden voor Hoop. Er waren eens astronomen die argumenteerden over de overvloed aan kosmische ijzer: het zonnespectrum gaf een ander niveau dan meteorieten. “Het was een groot mysterie voor een lange tijd,” zegt ze. Het debat eindigde toen astronomen nieuw gemeten atomaire parameters voor ijzer gebruikten en hun berekeningen van de overvloed aan zonne-ijzer herbekeken, waarbij het meteoritische resultaat werd bevestigd.,

Asplund verwacht dat de lopende opaciteits-en neutrino-experimenten de controverse zullen oplossen. “Ik zou mijn huis er niet op verwedden”, zegt hij, ” maar ik zou erg teleurgesteld zijn als we over 10 jaar niet echt weten wat het antwoord is.”

Dit artikel verscheen oorspronkelijk in Knowable Magazine, een onafhankelijke journalistieke inspanning van jaarlijkse recensies.