Como os astrônomos olhar nas profundezas do espaço, fazem-no com mal-estar: Eles não sabem precisamente o que o universo é feito.não é apenas a verdadeira natureza da matéria negra que os escapa; assim como a essência das estrelas que espalham o céu e povoam as muitas galáxias em todo o cosmos., Surpreendentemente, ninguém conhece a composição química exata das estrelas: quantos átomos de carbono, nitrogênio e oxigênio têm em relação ao hidrogênio, o elemento mais comum.estes números são cruciais, porque afectam a forma como as estrelas vivem e morrem, Que tipos de planetas se formam e até quão prontamente a vida pode surgir noutros mundos.
vinte anos atrás, astrônomos expressaram confiança nos números com os quais estavam trabalhando. Nem por isso. O problema não está nos cantos mais distantes do cosmos, mas muito mais perto de casa. Surpreendentemente, os cientistas não sabem exactamente de que é feito o sol., Como resultado, eles também não sabem do que as outras estrelas são feitas.embora a abundância exata de oxigênio do sol seja controversa, ninguém contesta que Estrelas muito mais massivas do que o sol — semelhantes às estrelas mais brilhantes que estão nascendo na Nebulosa de Órion (mostradas) — forjaram a maior parte do oxigênio encontrado hoje na terra e em todo o universo. Crédito: NASA / ESA / M., Roberto (SPACE TELESCOPE SCIENCE INSTITUTE / ESA) AND the HUBBLE SPACE TELESCOPE ORION TREASURY PROJECT TEAM
“The sun is a fundamental yardstick,” says Martin Asplund, an astrophysicist at the Max Planck Institute for Astrophysics in Garching, Germany. “Quando nós determinamos a abundância de um determinado elemento em uma estrela ou uma galáxia ou uma nuvem de gás em qualquer lugar do universo, nós usamos o sol como um ponto de referência.isso faz sentido. O sol constitui 99,86 por cento da massa do sistema solar., Qualquer pesquisador que consultasse a mesma porcentagem de eleitores Não teria qualquer problema em prever o resultado da próxima eleição.a localização do sol na Via Láctea também o torna um bom representante de toda a galáxia. Assim como as opiniões políticas variam do núcleo urbano para o campo, a abundância estelar muda do Centro Galáctico para a borda, e o sol acontece estar na posição perfeita — cerca de metade do centro da Via Láctea para a borda de seu disco de estrelas — para experimentar toda a galáxia.,além disso, a maioria das estrelas do universo residem em galáxias gigantes como a Via Láctea, o que faz do sol uma pedra de toque para todo o cosmos.além disso, o sol é tão brilhante que os astrônomos podem estudar detalhes de sua luz com precisão requintada. Isso deve permitir-lhes determinar a abundância exacta dos elementos químicos do sol.
durante quase um século, os astrónomos julgaram as estrelas normais ou não, vendo se as suas composições químicas correspondem às do sol. a maioria das estrelas próximas de nós, sim; algumas não.,
é por isso que o artigo sobre a composição química do sol Por Asplund e seus colegas na revisão anual de Astronomia e Astrofísica de 2009 recebeu mais de 4.000 citações acadêmicas de colegas cientistas: astrônomos constantemente comparar estrelas e galáxias com o sol. É o padrão universal.
mas o trabalho de Asplund é controverso. He and his colleagues have used new models to analyse sunlight and found drastly lower levels of the most common heavy elements in the sun — including carbon and oxygen — compared with previous calculations., (Astronomers call most elements heavier than helium ” heavy.O trabalho de Asplund, portanto, implica que as outras estrelas e, na verdade, todo o cosmos têm uma quantidade muito menor de elementos pesados do que o anteriormente pensado.
quanto dos quatro elementos pesados mais comuns — oxigénio, carbono, néon e azoto — contém o sol? Este gráfico mostra abundâncias relativas para dezenas de elementos (pontos azuis, elementos mais comuns rotulados), expressos em uma escala logarítmica onde o número de átomos de hidrogênio é definido em 12., (Um elemento com uma abundância de 11 é um décimo como comum como hidrogênio; se 10, é um centésimo como comum; e assim por diante. Em 1989, a abundância padrão de oxigênio era de 8,93, o que significava que havia 1,175 átomos de hidrogênio para cada átomo de oxigênio. Em 2009, no entanto, Martin Asplund favoreceu uma abundância de oxigênio de apenas 8,69, o que significava que havia 2 042 átomos de hidrogênio para cada átomo de oxigênio. A abundância estimada de carbono, nitrogênio e néon também mergulhou.oxigénio. “Este é o elemento pesado mais abundante no universo”, diz Marc Pinsonneault, um astrônomo da Universidade do Estado de Ohio., Ele tem sido um crítico dos números de Asplund porque eles levam a conflitos com observações do interior do sol.
” O sol é uma das únicas maneiras que temos de realmente medir a quantidade de oxigênio que existe. Então, se Asplund está correto … isso significa que há 40% menos oxigênio no período do universo, porque todas as nossas medidas se multiplicam pelo que quer que assumamos para o sol”, diz Pinsonneault.
A controvérsia tem durado por 20 anos; nenhum dos lados se rendeu ao outro. “Ainda não encontramos a resposta”, diz Katharina Lodders, uma cosmochemista da Universidade de Washington em St., Luís que divina abundâncias de meteoritos e chama frustrante a disputa de longa data. “Acho que o’ o que estamos a perder?”é um dos maiores desafios para os cientistas. Como é possível que haja algo que não podemos explicar? Deve haver uma resposta.”
the lower levels of oxygen and other heavy elements that Asplund advocates have caused not just uncertainty but also trouble. “Suspeitei muito cedo que isso levaria a um conflito”, diz ele.no entanto, tanto Asplund como Pinsonneault dizem que o debate é amigável., “Discordamos muito da interpretação científica”, diz Asplund, ” mas estamos muito felizes em sair para tomar uma cerveja depois.”
felizmente, uma variedade de experimentos atuais e futuros podem finalmente resolver a questão.
oxigênio: um elemento crítico
apesar da controvérsia, todos concordam sobre o básico: o sol consiste principalmente de hidrogênio e hélio, os dois elementos mais leves. Gera energia no seu centro através de reacções nucleares que convertem hidrogénio em hélio. Mas por causa do trabalho de Asplund, as quantidades dos próximos elementos mais abundantes estão todas em disputa.,é muito importante. O oxigênio é responsável por quase metade de todos os átomos pesados no universo. A maioria destes átomos traçam o seu nascimento para Estrelas muito mais maciças do que o sol. No final de suas vidas brilhantes, mas breves, estas estrelas fundem quatro núcleos de hélio para fazer oxigênio. As estrelas eventualmente explodem, atirando o elemento que dá vida. Apenas uma supernova pode ejetar mais do que uma massa solar de oxigênio. Se o nível de oxigênio no sol e, portanto, todo o universo é tão baixo quanto Asplund acredita, estas estrelas massivas produtoras de oxigênio têm sido muito menos prolíficos do que se pensa.,
quase metade de todos os átomos pesados no universo são oxigênio (medido pelo número de átomos, não pelo peso). E apenas quatro elementos-oxigênio, carbono, néon e nitrogênio — são responsáveis por 88 por cento de todos os átomos pesados, mas seu número exato relativo ao hidrogênio tem sido disputado.
o oxigénio é vital de formas tanto óbvias como não. O óbvio: precisamos de oxigénio para respirar. O menos óbvio: mais de metade dos átomos nas rochas sob os nossos pés são oxigénio. E o elemento desempenhou um papel importante na formação de todos os planetas do nosso sistema solar.,a importância crítica do oxigénio não termina aqui. Afinal, há um átomo de oxigénio em cada molécula de água. “A água é essencial para a vida”, diz Lodders. “A água era essencial para a formação da vida.”Então, sem oxigénio, sem água e sem vida.
continue, wayward sun
de longo alcance embora seja, a controvérsia fervente sobre a abundância de oxigênio do sol e outros elementos pesados iniciados por acidente. No final da década de 1990, Asplund queria estudar estrelas antigas que tinham apenas uma ninharia de elementos pesados. Em primeiro lugar, porém, ele achou que seria melhor determinar melhor a composição do sol.,para isso, ele e os seus colegas desenvolveram novos modelos para explicar o espectro solar, o arco-íris de cores que a nossa estrela emite. Átomos de diferentes elementos absorvem diferentes comprimentos de onda de luz, produzindo o que são chamadas linhas espectrais. Quanto mais átomos de um elemento em particular que existem na superfície do sol, mais luz os átomos absorvem e mais fortes são as linhas espectrais. As linhas espectrais, assim, podem revelar a abundância de um elemento em relação ao hidrogênio, que é o principal ingrediente do sol.,como o sol estabelece o padrão, os cientistas podem ver metaforicamente todo o universo em um único raio de sol: analisando o espectro solar, eles podem determinar as proporções de hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio em todo o cosmos.os novos modelos de Asplund eram muito mais sofisticados do que os anteriores, evitando simplificações e aproximações. “Eu não tinha nenhuma expectativa real de que isso iria mudar a abundância solar em tudo”, diz ele. “Foi um tiro de sorte.”
o espectro solar (mostrado) pode ser analisado para revelar pistas sobre a composição do sol., Os átomos na superfície do sol absorvem cores específicas, deixando linhas espectrais escuras no espectro observado. A força de cada linha fala de uma abundância elementar. As linhas H E K no roxo profundo surgem do cálcio; o par de linhas D amarelo-laranja do sódio; e a linha C vermelha do hidrogênio. As linhas espectrais do oxigénio são difíceis de analisar.
em seus modelos, cada um dos quatro elementos pesados mais abundantes do universo teve um grande sucesso. Em comparação com os números publicados 20 anos antes, o artigo de 2009 da Asplund e dos colegas recomendou valores nitidamente mais baixos., Os novos modelos reduziram o nível estimado de oxigênio no sol e, portanto, no universo por 42%. Carbono, outro pré-requisito para a vida, caiu 26 por cento, enquanto os níveis de néon e nitrogênio caiu 31 por cento e 40 por cento, respectivamente.
por todos os cálculos, estes quatro elementos representam a grande maioria (88% no trabalho de Asplund, um pouco mais em outros números) de todos os átomos pesados no universo. Se Asplund estava certo, o universo tinha muito menos deles do que alguém pensava. E isso significava um grande problema para modelos do interior do sol.,
no interior do sol
elementos pesados como o oxigénio alteram o interior do sol, porque absorvem a radiação à medida que este se dirige do núcleo solar para a superfície. Usando a antiga abundância solar, os astrônomos pensaram que tinham o interior do sol descoberto, graças a uma técnica conhecida como helioseismologia. Assim como o nosso mundo tem terramotos, o interior do sol vibra com ondas sonoras. E assim como os sismólogos usam tremores para deduzir a estrutura do interior da terra, as vibrações que se espalham através do sol revelaram a sua estrutura interna.,por exemplo, na maior parte do interior do sol, a radiação salta de átomo a átomo, transportando lentamente o calor do núcleo para fora. Nas partes mais exteriores do sol, no entanto, o material é mais frio e mais opaco, em grande parte porque elementos pesados, como o oxigênio, absorvem fótons. Esta opacidade significa que os fotões não podem transportar calor lá. Em vez disso, um processo chamado convecção começa: o gás quente sobe para a superfície solar, irradia calor, em seguida, arrefece e afunda para baixo. Vê – se algo semelhante quando se ferve um pote de água.,
Helioseismologia define a posição da fronteira entre o interior radiativo do sol e o seu envelope Convectivo. “Isso aparece como uma falha nas ondas sonoras”, diz Pinsonneault. Como resultado, sabemos que este limite ocorre precisamente em 71,3 por cento do raio solar. Mas se o sol realmente tem menos oxigênio, carbono, néon e nitrogênio, então o interior do sol é menos opaco, permitindo que a radiação leve o calor mais longe do centro do sol, contradizendo as observações helioseismológicas., “Ou não entendemos o sol ou estamos errados”, disse Pinsonneault em uma palestra de 2011, onde ele favoreceu uma maior abundância de oxigênio.
reações nucleares no núcleo do sol produzem energia, que é então transportada para fora por radiação e, em seguida, por convecção. A posição da fronteira entre a zona radiativa e a zona convectiva foi revelada por observações helioseismológicas. As antigas abundâncias solares elementares colocam este limite exatamente na posição observada; as abundâncias elementares revisadas não.,ainda assim, Pinsonneault reconhece que os novos modelos de Asplund são superiores aos anteriores e que a sua nova determinação da abundância solar deve ser válida. Por um lado, os modelos de Asplund levam em conta a convecção, que trabalhos anteriores haviam negligenciado. Sua equipe também reconheceu que uma linha espectral vermelha que supostamente surgiu do oxigênio é na verdade uma mistura de oxigênio e níquel; subtraindo a contribuição de níquel levou a uma menor abundância de oxigênio.
grande parte do problema deriva do próprio átomo de oxigénio. “É apenas uma criança problemática”, diz Pinsonneault., “Sempre foi uma criança problemática.”
comum embora o oxigênio seja, ele produz poucas linhas espectrais na luz solar, todas as quais são difíceis de analisar, de modo que o elemento deixa poucas pistas para sua abundância. “Em contraste, todos concordam com a abundância de ferro solar”, diz Pinsonneault. Isso porque o ferro produz uma infinidade de linhas espectrais que estão maduras para análise.como Loddders, Pinsonneault chama frustrante a disputa aparentemente eterna. “Tem sido surpreendentemente difícil obter novas informações para resolver o problema”, diz ele. “Nós só precisamos de novos dados para ser capaz de quebrar isso.,”
algo novo sob o sol
felizmente, novos dados estarão chegando em breve. No laboratório, os físicos podem medir as opacidades de diferentes elementos submetendo-os às temperaturas tórridas que prevalecem dentro do sol. Nos últimos anos, os cientistas têm estimulado Estes experimentos para temperaturas ainda mais altas — quentes o suficiente para sondar condições semelhantes às profundas sob a superfície solar, na fronteira convectiva-radiativa — e em plasmas suficientemente grandes e de longa duração para produzir números precisos.,em 2015, Jim Bailey, um físico experimental dos Laboratórios Nacionais Sandia, e seus colegas relataram que a opacidade do ferro ao sol é realmente maior do que o esperado. “Nosso resultado fez a comunidade astronômica muito feliz”, diz ele, ” porque isso significa que há pelo menos uma esperança de que eles possam conciliar o que eles acham que são as melhores estimativas de Abundância com o modelo solar padrão e com a helioseismologia.Bailey agora virou sua atenção para o oxigênio e espera seus primeiros resultados em três anos., Se o oxigênio provar ser mais opaco do que o calculado atualmente, então o sol não precisa de tanto do elemento para manter a localização observada do limite radiativo-Convectivo. Isso poderia eliminar a discrepância entre a nova abundância solar e a heliosismologia.entretanto, tanto Asplund como Pinsonneault apontam para outra solução promissora. À medida que o núcleo do sol gera energia, emite neutrinos, partículas fantasmagóricas que se afastam e chegam à terra cerca de oito minutos depois. Estudos em curso destes neutrinos devem oferecer uma nova maneira de estimar a abundância elementar., Isso porque certos neutrinos surgem num processo que usa carbono, nitrogénio e oxigénio como catalisadores para converter hidrogénio em hélio.
Este ciclo CNO gera apenas cerca de 1 por cento da energia do sol, mas quanto mais carbono, nitrogênio e oxigênio o sol realmente tem, mais destes neutrinos CNO deve existir. Há seis anos, os físicos usaram o experimento Borexino na Itália para detectar neutrinos da principal reação nuclear do sol., Esta semana, os investigadores do Borexino anunciaram que esta mesma experiência recolheu os neutrinos do CNO, o que significa que é apenas uma questão de tempo até que eles ajudem a revelar a abundância solar.
o ciclo CNO gera apenas 1 por cento da energia do sol, mas pode algum dia revelar a quantidade de carbono, nitrogênio e oxigênio que o sol contém. Neste ciclo complexo, núcleos de carbono, nitrogênio e oxigênio catalisam a reação nuclear hidrogênio-hélio, mas não são usados no processo. O ciclo CNO transforma quatro prótons em um núcleo de hélio, criando energia e emitindo dois neutrinos (magenta)., Os físicos anunciaram recentemente que tinham sido capazes de detectar este tipo de neutrino pela primeira vez.o veredicto final?
Lodders nota outra razão para a esperança. Era uma vez, os astrónomos discutiam sobre a abundância de ferro cósmico: o espectro solar dava um nível diferente do que os meteoritos. “Foi um grande mistério durante muito tempo”, diz ela. O debate terminou quando os astrônomos usaram parâmetros atômicos recentemente medidos para o ferro e revisaram seus cálculos da abundância de ferro solar, vingando o resultado meteorítico.,
Asplund espera que os experimentos de opacidade e neutrinos em curso resolvam a controvérsia. “Eu não apostaria minha casa nisso”, diz ele, ” mas eu ficaria muito desapontado se não soubéssemos realmente qual é a resposta daqui a 10 anos.”
Este artigo apareceu originalmente na revista Knowable, um esforço jornalístico independente de revisões anuais.