astronomer vet fortfarande inte exakt vad solen är gjord av

När astronomer blickar in i djupet av rymden gör de det med oro: de vet inte exakt vad universum är tillverkat av.

det är inte bara den sanna naturen av mörk materia som undgår dem; så gör kärnan i stjärnorna som speckar himlen och befolkar de många galaxerna i hela kosmos., Förvånansvärt vet ingen stjärnornas exakta kemiska sammansättning: hur många kol -, kväve-och syreatomer de har i förhållande till väte, det vanligaste elementet.

dessa siffror är avgörande, eftersom de påverkar hur stjärnor lever och dör, vilka typer av planeter bildar och till och med hur lätt livet kan uppstå på andra världar.

För tjugo år sedan uttryckte astronomer förtroende för de siffror de hade arbetat med. Inte så mycket. Problemet ligger inte i kosmos avlägsna hörn, men mycket närmare hemmet. Förvånansvärt vet forskare inte exakt vad solen är gjord av., Som ett resultat vet de inte heller vad de andra stjärnorna är gjorda av.

”solen är en grundläggande måttstock, säger Martin Asplund, en astrofysiker vid Max Planck-Institutet för Astrofysik i Garching, Tyskland. ”När vi bestämmer överflöd av ett visst element i en stjärna eller en galax eller ett gasmoln någonstans i universum, använder vi solen som referenspunkt.”

det är vettigt. Solen utgör 99,86 procent av solsystemets massa., Alla opinionsundersökare som rådfrågade samma procentandel av väljarna skulle inte ha några problem med att förutsäga resultatet av nästa val.

solens läge i Vintergatan gör det också till en bra representant för hela galaxen. Precis som politiska åsikter varierar från urbana kärnan till landsbygden, så stellar överflöd förändras från den galaktiska centrum till kanten, och solen råkar vara i perfekt läge – ungefär halvvägs från Vintergatan centrum till kanten av dess skiva stjärnor-att prova hela galaxen.,

dessutom bor de flesta stjärnor i universum i gigantiska galaxer som Vintergatan, vilket gör solen till en touchstone för hela kosmos.

plus, solen är så ljus att astronomer kan studera detaljer om sitt ljus med utsökt precision. Det borde göra det möjligt för dem att bestämma det exakta överflödet av solens kemiska element.

i nästan ett sekel har astronomer bedömt stjärnor normalt eller inte genom att se om deras kemiska kompositioner matchar solens. de flesta stjärnor i närheten av oss gör det, vissa gör det inte.,

det är därför artikeln om solens kemiska sammansättning av Asplund och hans kollegor i 2009 års översyn av astronomi och astrofysik har samlat mer än 4000 akademiska citat från medforskare: astronomer jämför ständigt stjärnor och galaxer med solen. Det är den universella standarden.

men Asplunds arbete är kontroversiellt. Han och hans kollegor har använt nya modeller för att analysera solljus och funnit drastiskt lägre nivåer av de vanligaste tunga elementen i solen — inklusive kol och syre-jämfört med tidigare beräkningar., (Astronomer kallar de flesta element tyngre än helium ” tung.”) Asplunds arbete innebär därför att de andra stjärnorna och faktiskt hela kosmos har en mycket mindre mängd tunga element än man tidigare trott.

ta syre. ”Detta är det mest rikliga tunga elementet i universum”, säger Marc Pinsonneault, en astronom vid Ohio State University., Han har varit kritiker av Asplunds siffror eftersom de leder till konflikter med observationer av solens inre.

”solen är ett av de enda sätten vi har att faktiskt mäta hur mycket syre det finns. Så om Asplund är korrekt … betyder det att det finns 40 procent mindre syre i universumperioden, för alla våra mätningar multipliceras med vad vi antar för solen, säger Pinsonneault.

kontroversen har uthärdat i 20 år; ingen sida har givit till den andra. ”Vi har inte fått svar ännu, säger Katharina Lodders, en cosmochemist vid Washington University i St, Louis som spårar överflöd från meteoriter och kallar den långvariga tvisten frustrerande. ”Jag tror att’ vad saknas vi?”är en av de största utmaningarna för forskare. Hur kan det vara, att det finns något vi inte kan förklara? Det måste finnas ett svar.”

de lägre nivåerna av syre och andra tunga element som Asplund förespråkar har orsakat inte bara osäkerhet utan också problem. ”Jag misstänkte mycket tidigt att det skulle leda till en konflikt”, säger han.

men både Asplund och Pinsonneault säger att debatten är Vänlig., ”Vi är mycket oense om den vetenskapliga tolkningen”, säger Asplund, ” men vi är väldigt glada att gå ut för en öl efteråt.”

lyckligtvis kan en mängd olika nuvarande och framtida experiment äntligen lösa frågan.

syre: ett kritiskt element

trots kontroversen är alla överens om grunderna: solen består huvudsakligen av väte och helium, de två lättaste elementen. Det genererar energi i centrum genom kärnreaktioner som omvandlar väte till helium. Men på grund av Asplunds arbete är mängderna av de näst rikligaste elementen alla i tvist.,

det spelar stor roll. Syre står för nästan hälften av alla tunga atomer i universum. De flesta av dessa atomer spårar deras födelse till stjärnor mycket mer massiva än solen. Sent i deras ljusa men korta liv smälter dessa stjärnor ihop fyra heliumkärnor för att göra syre. Stjärnorna exploderar så småningom och skjuter bort det livgivande elementet. Bara en supernova kan mata ut mer än en solmassa av syre. Om syrenivån i solen och därmed hela universum är så låg som Asplund tror, har dessa massiva syreproducerande stjärnor varit mycket mindre produktiva än man trodde.,

syre är avgörande på sätt både uppenbara och inte. Det uppenbara: vi behöver syre för att andas. Ju mindre uppenbart: mer än hälften av atomerna i klipporna under våra fötter är syre. Och elementet spelade en viktig roll i bildandet av alla planeter i vårt solsystem.,

syrgas kritiska betydelse slutar inte där. Det finns trots allt en syreatom i varje vattenmolekyl. ”Vatten är viktigt för livet”, säger lodare. ”Vatten var viktigt för att bilda liv.”Så inget syre, inget vatten och inget liv.

Fortsätt, wayward sun

långtgående men det är den simmering kontroversen över solens överflöd av syre och andra tunga element som startades av misstag. I slutet av 1990-talet ville Asplund studera gamla stjärnor som bara hade en spottstyver av tunga element. Först tyckte han dock att det var klokt att bättre fastställa solens sammansättning.,

för att göra det utvecklade han och hans kollegor nya modeller för att förklara solspektret, regnbågen av färger som vår stjärna avger. Atomer av olika element absorberar olika våglängder av ljus, vilket producerar vad som kallas spektrallinjer. Ju fler atomer av ett visst element som finns på solens yta desto mer ljus absorberar atomerna och desto starkare spektrallinjerna. Spektrala linjer kan därigenom avslöja ett Elements överflöd i förhållande till väte, vilket är solens huvudsakliga ingrediens.,

eftersom solen sätter standarden kan forskare metaforiskt se hela universum i en enda solstråle: genom att analysera solspektrumet kan de bestämma proportionerna av väte, kol, kväve och syre i hela kosmos.

Asplunds nya modeller var mycket mer sofistikerade än tidigare, vilket minskade förenklingar och approximationer. ”Jag hade ingen verklig förväntan att detta skulle förändra solens överflöd alls”, säger han. ”Det var typ av en tur skott.”

i sina modeller tog var och en av universums fyra mest rikliga tunga element en stor hit. Jämfört med siffror som publicerades 20 år tidigare rekommenderade 2009-artikeln av Asplund och kollegor kraftigt lägre värden., De nya modellerna slog den beräknade syrenivån i solen och därmed i universum med en jättestor 42 procent. Kol, en annan förutsättning för livet, föll 26 procent, medan neon-och kvävenivåerna sjönk 31 procent respektive 40 procent.

vid alla beräkningar står dessa fyra element för den stora majoriteten (88 procent i Asplunds arbete, lite mer i andra tal) av alla tunga atomer i universum. Om Asplund hade rätt, hade universum mycket färre av dem än någon hade trott. Och det innebar stora problem för modeller av solens interiör.,

inuti solen

tunga element som syre förändrar solens inre, eftersom de absorberar strålning eftersom det leder sig utåt från solkärnan till ytan. Med hjälp av de gamla solflödorna trodde astronomerna att de hade solens inre räknat ut tack vare en teknik som kallas helioseismologi. Precis som vår värld har jordbävningar, så vibrerar solens interiör med ljudvågor. Och precis som seismologer använder quakes för att härleda jordens inre struktur, så vibrationerna som krusar genom solen har avslöjat sin inre struktur.,

i det mesta av solens inre studsar strålningen från atom till atom och bär långsamt värme från kärnan utåt. I de yttersta delarna av solen är emellertid materialet svalare och mer ogenomskinligt, till stor del eftersom tunga element, såsom syre, absorberar fotoner. Denna opacitet innebär att fotoner inte kan färja värme där. Istället, en process som kallas konvektion sätter i: het gas stiger till solytan, utstrålar värme, kyler sedan och sjunker tillbaka ner. Du ser något liknande när du kokar en kruka med vatten.,

Helioseismology pekar ut gränspositionen mellan solens radiativa interiör och dess konvektiva kuvert. ”Det visar sig som en glitch i ljudvågorna”, säger Pinsonneault. Som ett resultat vet vi att denna gräns sker vid exakt 71,3 procent av solradien. Men om solen faktiskt har mindre syre, kol, neon och kväve, är solens inre mindre ogenomskinlig, vilket gör att strålningen kan bära värme längre från solens centrum, vilket strider mot de helioseismologiska observationerna., ”Antingen förstår vi inte solen eller är fel”, säger Pinsonneault vid ett 2011-tal där han gynnade en högre syrehalt.

fortfarande, Pinsonneault erkänner att Asplunds nya modeller är överlägsen tidigare och deras omdefiniering av solflödorna bör vara giltigt. För en sak tar Asplunds modeller hänsyn till konvektion, vilket tidigare arbete hade försummat. Hans team erkände också att en röd spektrallinje som förmodligen uppstod från syre faktiskt är en blandning av syre och nickel; subtrahera Nickels bidrag ledde till en lägre syrehalt.

mycket av problemet härrör från själva syreatomen. ”Det är bara ett problem barn”, säger Pinsonneault., ”Det har alltid varit ett besvärligt barn.”

vanligt även om syre är, producerar det få spektrala linjer i solljus, som alla är svåra att analysera, så elementet lämnar några ledtrådar till dess överflöd. ”Däremot är alla överens om soljärn överflöd,” säger Pinsonneault. Det beror på att järn producerar en uppsjö av spektrala linjer som är mogna för analys.

som lodare kallar Pinsonneault den till synes eviga tvisten frustrerande. ”Det har varit förvånansvärt svårt att få ny information för att lösa problemet”, säger han. ”Vi behöver bara nya data för att kunna knäcka detta.,”

något nytt under solen

lyckligtvis kommer färska data snart. I laboratoriet kan fysiker mäta opaciteten hos olika element genom att utsätta dem för de torra temperaturerna som råder inuti solen. Under de senaste åren har forskare koaxat dessa experiment till ännu högre temperaturer-tillräckligt varmt för att sondera förhållanden som liknar de djupa under solytan, vid den konvektiva strålningsgränsen-och i plasmor tillräckligt stora och långlivade för att ge exakta siffror.,

i 2015 Jim Bailey, en experimentell fysiker på Sandia National Laboratories, och hans kollegor rapporterade att opaciteten hos järn i solen verkligen är högre än förväntat. ”Vårt resultat gjorde astronomigemenskapen ganska glad”, säger han, ” eftersom det betyder att det finns åtminstone ett hopp om att de kan förena vad de tycker är de bästa överflöd uppskattningarna med standard solmodell och med helioseismologi.”

Bailey har nu vänt sin uppmärksamhet på syre och förväntar sig sina första resultat på tre år., Om syre visar sig vara mer ogenomskinlig än vad som för närvarande beräknas, behöver solen inte så mycket av elementet för att bibehålla den observerade platsen för den radiativa konvektiva gränsen. Det kan eliminera skillnaden mellan de nya solflödorna och helioseismologin.

under tiden pekar både Asplund och Pinsonneault på en annan lovande lösning. Eftersom solens kärna genererar energi, avger den neutriner, spöklika partiklar som zip bort och når jorden ungefär åtta minuter senare. Pågående studier av dessa neutriner bör erbjuda ett nytt sätt att uppskatta elementära överflöd., Det beror på att vissa neutriner uppstår i en process som använder kol, kväve och syre som katalysatorer för att omvandla väte till helium.

denna CNO-cykel genererar endast cirka 1 procent av solens energi, men ju mer kol, kväve och syre solen verkligen har, desto mer av dessa CNO-neutriner borde existera. För sex år sedan använde fysiker borexino-experimentet i Italien för att upptäcka neutriner från solens huvudsakliga kärnreaktion., Denna vecka meddelade Borexino-forskarna att samma experiment har plockat upp CNO-neutrinerna, vilket betyder att det bara är en fråga om tid tills de hjälper till att avslöja solflödorna.

den slutliga domen?

lodare noterar en annan anledning till hopp. En gång i tiden argumenterade astronomer över det kosmiska järnöverskottet: solspektret gav en annan nivå än meteoriter gjorde. ”Det var ett stort mysterium länge”, säger hon. Debatten avslutades när astronomer använde nyligen uppmätta atomparametrar för järn och reviderade sina beräkningar av soljärnsbundansen, vilket indikerade meteoritresultatet.,

Asplund förväntar sig att de pågående opaciteten och neutrino-experimenten löser kontroversen. ”Jag skulle inte satsa mitt hus på det”, säger han ,” men jag skulle bli väldigt besviken om vi inte faktiskt vet vad svaret är om 10 år.”

denna artikel dök ursprungligen upp i Knowable Magazine, en oberoende journalistisk strävan från årliga recensioner.