astronomowie nadal nie wiedzą dokładnie, z czego zbudowane jest słońce

gdy astronomowie spoglądają w głąb kosmosu, robią to z niepokojem: nie wiedzą dokładnie, z czego zbudowany jest wszechświat.

nie tylko prawdziwa natura ciemnej materii umyka im; tak samo esencja gwiazd, które plamkują niebo i zaludniają wiele galaktyk w całym kosmosie., Co zaskakujące, nikt nie zna dokładnego składu chemicznego gwiazd: ile atomów węgla, azotu i tlenu mają w porównaniu z wodorem, najczęstszym pierwiastkiem.

te liczby są kluczowe, ponieważ wpływają na to, jak gwiazdy żyją i umierają, jakie typy Planet tworzą się, a nawet jak łatwo może powstać życie na innych światach.

dwadzieścia lat temu astronomowie wyrazili zaufanie do liczb, z którymi pracowali. Nie za bardzo. Problem nie leży w odległych zakątkach kosmosu, ale znacznie bliżej domu. Co zaskakujące, naukowcy nie wiedzą dokładnie, z czego zbudowane jest słońce., W rezultacie nie wiedzą też, z czego zbudowane są pozostałe gwiazdy.

„słońce jest fundamentalną miarą”, mówi Martin Asplund, astrofizyk Z Max Planck Institute for Astrophysics w Garching w Niemczech. „Kiedy określamy obfitość określonego pierwiastka w gwieździe, galaktyce lub obłoku gazu w dowolnym miejscu we wszechświecie, używamy Słońca jako punktu odniesienia.”

To ma sens. Słońce stanowi 99,86% masy układu słonecznego., Każdy ankieter, który skonsultował się z tym samym odsetkiem wyborców, nie miałby problemu z przewidywaniem wyników następnych wyborów.

położenie Słońca w Drodze Mlecznej czyni go również dobrym przedstawicielem całej galaktyki. Tak jak opinie polityczne różnią się od jądra miejskiego do wsi, tak obfitość gwiazd zmienia się od centrum galaktyki do krawędzi, a słońce znajduje się w doskonałej pozycji — mniej więcej w połowie drogi mlecznej do krawędzi dysku gwiazdowego — aby zbadać całą galaktykę.,

Co więcej, większość gwiazd we wszechświecie znajduje się w gigantycznych galaktykach, takich jak Droga Mleczna, co sprawia, że słońce staje się kamieniem milowym dla całego kosmosu.

poza tym słońce jest tak jasne, że astronomowie mogą badać szczegóły jego światła z niezwykłą precyzją. To powinno pozwolić im określić dokładną obfitość pierwiastków chemicznych słońca.

od prawie wieku astronomowie oceniają gwiazdy w normie lub nie, sprawdzając, czy ich skład chemiczny odpowiada składowi słońca. większość gwiazd w pobliżu nas tak robi, niektóre nie.,

dlatego artykuł Asplunda i jego współpracowników na temat składu chemicznego Słońca w 2009 Annual Review of Astronomy and Astrophysics zebrał ponad 4000 cytatów naukowych od kolegów naukowców: astronomowie stale porównują gwiazdy i galaktyki do słońca. To uniwersalny standard.

ale twórczość Asplunda budzi kontrowersje. On i jego współpracownicy wykorzystali nowe modele do analizy światła słonecznego i znaleźli drastycznie niższe poziomy najczęstszych ciężkich pierwiastków w słońcu – w tym węgla i tlenu-w porównaniu z wcześniejszymi obliczeniami., (Astronomowie nazywają większość pierwiastków cięższych od Helu ” ciężkimi.”) Praca Asplunda sugeruje zatem, że pozostałe gwiazdy, a nawet cały kosmos, mają znacznie mniejszą ilość ciężkich pierwiastków niż wcześniej sądzono.

weź tlen. „Jest to najliczniejszy pierwiastek ciężki we wszechświecie” – mówi Marc Pinsonneault, astronom z Ohio State University., Był krytykiem liczb Asplunda, gdyż prowadzą one do konfliktów z obserwacjami wnętrza słońca.

„słońce jest jednym z niewielu sposobów pomiaru ilości tlenu. Jeśli Asplund ma rację, oznacza to, że we wszechświecie jest o 40 procent mniej tlenu, ponieważ wszystkie nasze pomiary są mnożone przez to, co zakładamy dla słońca” – mówi Pinsonneault.

kontrowersje trwają od 20 lat.żadna ze stron nie uległa drugiej. „Nie znaleźliśmy jeszcze odpowiedzi” – mówi Katharina Lodders, kosmochemiczka Z Washington University w St., Ludwik, który dzieli się obficie z meteorytami i nazywa długotrwały spór frustrującym. „Myślę ,że” co nam umyka?”jest jednym z największych wyzwań dla naukowców. Jak to możliwe, że jest coś, czego nie możemy wyjaśnić? Musi być odpowiedź.”

niższe poziomy tlenu i innych ciężkich pierwiastków, które Asplund popiera, spowodowały nie tylko niepewność, ale także kłopoty. „Bardzo wcześnie podejrzewałem, że doprowadzi to do konfliktu” – mówi.

jednak zarówno Asplund, jak i Pinsonneault twierdzą, że debata jest przyjazna., „Bardzo nie zgadzamy się z interpretacją naukową”, mówi Asplund, ” ale jesteśmy bardzo szczęśliwi, że możemy potem wyjść na piwo.”

na szczęście różne obecne i przyszłe eksperymenty mogą w końcu rozwiązać tę sprawę.

tlen: pierwiastek krytyczny

pomimo kontrowersji, wszyscy zgadzają się co do podstaw: słońce składa się głównie z wodoru i helu, dwóch najlżejszych pierwiastków. Wytwarza energię w swoim centrum poprzez reakcje jądrowe, które przekształcają wodór w hel. Jednak ze względu na pracę Asplunda ilości kolejnych najliczniejszych elementów są przedmiotem sporu.,

To ma ogromne znaczenie. Tlen stanowi prawie połowę wszystkich ciężkich atomów we wszechświecie. Większość z tych atomów śledzi ich narodziny do gwiazd znacznie masywniejszych niż Słońce. Pod koniec swojego jasnego, ale krótkiego życia, gwiazdy te łączą ze sobą cztery jądra helu, tworząc tlen. Gwiazdy w końcu eksplodują, wystrzeliwując życiodajny element. Tylko jedna supernowa może wystrzelić więcej niż słoneczną masę tlenu. Jeśli poziom tlenu w słońcu, a tym samym w całym wszechświecie jest tak niski, jak uważa Asplund, te masywne gwiazdy produkujące tlen są znacznie mniej płodne, niż sądzono.,

tlen jest niezbędny zarówno w sposób oczywisty, jak i nie. Oczywiste: potrzebujemy tlenu do oddychania. Mniej oczywiste: ponad połowa atomów w skałach pod naszymi stopami to tlen. I element odegrał ważną rolę w tworzeniu wszystkich planet w naszym Układzie Słonecznym.,

krytyczne znaczenie tlenu nie kończy się na tym. Przecież w każdej cząsteczce wody jest atom tlenu. „Woda jest niezbędna do życia” – mówi Lodders. „Woda była niezbędna do formowania życia.”Więc nie ma tlenu, nie ma wody i nie ma życia.

Kontynuuj, krnąbrne słońce

Pod koniec lat 90. Asplund chciał badać starożytne gwiazdy, które miały tylko niewielką ilość ciężkich pierwiastków. Najpierw jednak uznał, że lepiej ustalić skład słońca.,

aby to zrobić, on i jego koledzy opracowali nowe modele wyjaśniające widmo słoneczne, tęczę kolorów, którą nasza gwiazda wydziela. Atomy różnych pierwiastków absorbują różne długości fal światła, tworząc tak zwane linie widmowe. Im więcej atomów danego pierwiastka znajduje się na powierzchni Słońca, tym więcej światła pochłaniają atomy i tym silniejsze są linie widmowe. Linie widmowe mogą w ten sposób ujawnić obfitość pierwiastka w stosunku do wodoru, który jest głównym składnikiem słońca.,

ponieważ słońce wyznacza standardy, naukowcy mogą metaforycznie zobaczyć cały wszechświat w jednym promieniu słonecznym: analizując widmo słoneczne, mogą określić proporcje wodoru, węgla, azotu i tlenu w całym kosmosie.

nowe modele Asplunda były znacznie bardziej wyrafinowane niż poprzednie, unikając uproszczeń i przybliżeń. „Nie miałem prawdziwych oczekiwań, że to w ogóle zmieni obfitość słoneczną”, mówi. „To był szczęśliwy strzał.”

w swoich modelach W porównaniu z liczbami opublikowanymi 20 lat wcześniej, artykuł z 2009 r. autorstwa Asplunda i współpracowników zalecał znacznie niższe wartości., Nowe modele zmniejszyły szacowany poziom tlenu w słońcu, a tym samym we wszechświecie o aż 42 procent. Węgiel, kolejny warunek życia, spadł o 26 procent, podczas gdy poziom neonu i azotu spadł odpowiednio o 31 procent i 40 procent.

według wszystkich obliczeń, te cztery pierwiastki stanowią zdecydowaną większość (88 procent w pracy Asplunda, nieco więcej w innych liczbach) wszystkich ciężkich atomów we wszechświecie. Jeśli Asplund miał rację, wszechświat miał ich znacznie mniej, niż ktokolwiek przypuszczał. A to oznaczało ogromne kłopoty dla modeli wnętrza słońca.,

wewnątrz słońca

ciężkie pierwiastki, takie jak tlen, zmieniają wnętrze słońca, ponieważ pochłaniają promieniowanie, gdy przemieszcza się Ono z jądra słonecznego na powierzchnię. Korzystając ze starych obfitości słonecznych, astronomowie myśleli, że odkryli wnętrze słońca dzięki technice znanej jako helioseismology. Tak jak nasz świat ma trzęsienia ziemi, tak wnętrze słońca wibruje falami dźwiękowymi. I tak jak sejsmolodzy używają wstrząsów, aby wydedukować strukturę wnętrza Ziemi, tak wibracje falujące przez słońce ujawniły jego wewnętrzną strukturę.,

na przykład, w większości wnętrza słońca, promieniowanie odbija się od atomu do atomu, powoli przenosząc ciepło z jądra Na Zewnątrz. Jednak w najbardziej oddalonych częściach słońca materiał jest chłodniejszy i bardziej nieprzezroczysty, głównie dlatego, że ciężkie pierwiastki, takie jak tlen, pochłaniają fotony. Ta nieprzezroczystość oznacza, że fotony nie mogą tam przewozić ciepła. Zamiast tego rozpoczyna się proces zwany konwekcją: gorący gaz unosi się na powierzchnię Słońca, wypromieniowuje ciepło, a następnie chłodzi się i tonie z powrotem. Widzisz coś podobnego, gdy gotujesz garnek z wodą.,

Helioseismologia określa położenie granicy między promieniującym wnętrzem słońca a jego konwekcyjną otoczką. „To pojawia się jako usterka w falach dźwiękowych” – mówi Pinsonneault. W rezultacie wiemy, że granica ta występuje dokładnie w 71,3 procent promienia Słońca. Jeśli jednak słońce rzeczywiście ma mniej tlenu, węgla, neonu i azotu, to wnętrze słońca jest mniej nieprzezroczyste, dzięki czemu promieniowanie przenosi ciepło dalej od centrum słońca, co jest sprzeczne z obserwacjami helioseismologicznymi., „Albo nie rozumiemy słońca, albo się mylimy” – powiedział Pinsonneault podczas przemówienia w 2011 roku, w którym faworyzował większą obfitość tlenu.

mimo to Pinsonneault uznaje, że nowe modele Asplund są lepsze od wcześniejszych i ich ponowne określenie obfitości słonecznej powinno być ważne. Po pierwsze, modele Asplunda uwzględniają konwekcję, którą wcześniej zaniedbano. Jego zespół uznał również, że czerwona linia widmowa, która rzekomo powstała z tlenu, jest w rzeczywistości mieszanką tlenu i niklu; odjęcie udziału niklu doprowadziło do mniejszej ilości tlenu.

większość problemu wynika z samego atomu tlenu. – To tylko dziecko z problemami-mówi Pinsonneault., „To zawsze było kłopotliwe dziecko.”

chociaż tlen jest powszechny, wytwarza niewiele linii widmowych w świetle słonecznym, z których wszystkie są trudne do analizy, więc pierwiastek pozostawia kilka wskazówek na temat jego obfitości. „Natomiast wszyscy zgadzają się co do ilości żelaza słonecznego” – mówi Pinsonneault. To dlatego, że żelazo wytwarza mnóstwo linii widmowych, które są gotowe do analizy.

podobnie jak Lodders, Pinsonneault nazywa pozornie wieczny spór frustrującym. „To było zaskakująco trudne, aby uzyskać nowe informacje, aby rozwiązać problem,” mówi. „Potrzebujemy tylko nowych danych, aby móc to złamać.,”

coś nowego pod słońcem

na szczęście wkrótce pojawią się świeże dane. W laboratorium fizycy mogą mierzyć zmętnienia różnych pierwiastków, poddając je temperaturom panującym wewnątrz słońca. W ostatnich latach naukowcy nakłonili te eksperymenty do jeszcze wyższych temperatur – wystarczająco gorących, aby badać warunki podobne do tych głęboko pod powierzchnią słońca, na granicy konwekcyjno-radiacyjnej — i w plazmach wystarczająco dużych i długotrwałych, aby uzyskać dokładne liczby.,

w 2015 roku Jim Bailey, fizyk eksperymentalny z Sandia National Laboratories, i jego koledzy donosili, że nieprzezroczystość żelaza w słońcu jest rzeczywiście wyższa niż oczekiwano. „Nasz wynik sprawił, że społeczność astronomów była bardzo szczęśliwa”, mówi, ” ponieważ oznacza to, że istnieje przynajmniej nadzieja, że mogą pogodzić to, co uważają za najlepsze oszacowanie obfitości ze standardowym modelem słonecznym i helioseizmem.”

Bailey zwrócił teraz uwagę na tlen i spodziewa się pierwszych wyników od trzech lat., Jeśli tlen okaże się bardziej nieprzezroczysty niż obecnie obliczany, słońce nie potrzebuje aż tyle pierwiastka, aby utrzymać obserwowaną lokalizację granicy radiacyjno-konwekcyjnej. To może wyeliminować rozbieżność między nową obfitością słoneczną a helioseizmem.

tymczasem zarówno Asplund, jak i Pinsonneault wskazują na kolejne obiecujące rozwiązanie. Gdy jądro słońca wytwarza energię, emituje neutrina, upiorne cząstki, które oddalają się i docierają do Ziemi około ośmiu minut później. Trwające badania tych neutrin powinny zaoferować nowy sposób szacowania obfitości pierwiastków., To dlatego, że niektóre neutrina powstają w procesie, który wykorzystuje węgiel, azot i tlen jako katalizatory do konwersji wodoru w hel.

ten cykl CNO generuje tylko około 1 procent energii Słońca, ale im więcej węgla, azotu i tlenu ma słońce, tym więcej neutrin CNO powinno istnieć. Sześć lat temu fizycy wykorzystali eksperyment Borexino we Włoszech do wykrycia neutrin z głównej reakcji jądrowej słońca., W tym tygodniu naukowcy z Borexino ogłosili, że ten sam eksperyment wyłapał neutrina CNO, co oznacza, że to tylko kwestia czasu, zanim pomogą odsłonić obfitość słońca.

ostateczny werdykt?

Lodders zauważa kolejny powód do nadziei. Dawno, dawno temu, astronomowie kłócili się o Kosmiczną obfitość żelaza: widmo słoneczne dawało inny poziom niż meteoryty. „To była wielka tajemnica przez długi czas”, mówi. Debata zakończyła się, gdy astronomowie wykorzystali nowo zmierzone parametry atomowe żelaza i zrewidowali swoje obliczenia ilości żelaza słonecznego, potwierdzając wynik meteorytów.,

Asplund spodziewa się, że trwające eksperymenty dotyczące nieprzezroczystości i neutrin rozwiążą kontrowersje. „Nie postawiłbym na to swojego domu”, mówi, ” ale byłbym bardzo rozczarowany, gdybyśmy nie wiedzieli, jaka jest odpowiedź za 10 lat.”

artykuł pierwotnie ukazał się w magazynie Knowable, niezależnym wydawnictwie dziennikarskim z corocznych przeglądów.