Nye beregninger af solspektrum løser årtier lang kontrovers om solens kemiske sammensætning

Hvad gør man, når en gennemprøvet metode til at bestemme solens kemiske sammensætning ser ud til at være i modstrid med en innovativ, præcis teknik til at kortlægge solens indre struktur? Det var situationen for astronomer, der studerede solen - indtil nye beregninger, der nu er blevet offentliggjort af Ekaterina Magg, Maria Bergemann og kolleger, og som løser den tilsyneladende modsætning.

Den tiår lange soloverflodskrise er konflikten mellem solens indre struktur som bestemt ud fra soloscillationer (helioseismologi) og strukturen afledt af den grundlæggende teori om stjernernes evolution, som igen er afhængig af målinger af nutidens sols kemiske sammensætning. De nye beregninger af solens atmosfæres fysik giver opdaterede resultater for overflod af forskellige kemiske grundstoffer, som løser konflikten. Det er bemærkelsesværdigt, at solen indeholder mere ilt, silicium og neon end tidligere antaget. De anvendte metoder lover også betydeligt mere nøjagtige skøn over stjernernes kemiske sammensætning generelt.

Astrokemi ved hjælp af spektre

Den afprøvede metode, der er tale om, er spektralanalyse. For at bestemme den kemiske sammensætning af vores sol eller af enhver anden stjerne derude, vender astronomer sig rutinemæssigt til spektre:den regnbuelignende nedbrydning af lys i dets forskellige bølgelængder. Stjernespektre indeholder iøjnefaldende, skarpe mørke linjer, først bemærket af William Wollaston i 1802, berømt genopdaget af Joseph von Fraunhofer i 1814, og identificeret som afslørende tegn, der indikerer tilstedeværelsen af ​​specifikke kemiske elementer af Gustav Kirchhoff og Robert Bunsen i 1860'erne.

Pionerarbejde udført af den indiske astrofysiker Meghnad Saha i 1920 relaterede styrken af ​​disse "absorptionslinjer" til stjernernes temperatur og kemiske sammensætning, hvilket danner grundlaget for vores fysiske modeller af stjerner. Cecilia Payne-Gaposchkins erkendelse af, at stjerner som vores sol hovedsageligt består af brint og helium, med ikke mere end spormængder af tungere kemiske grundstoffer, er baseret på det arbejde.

Solsvingninger, der fortæller en anden historie

De underliggende beregninger, der relaterer spektrale træk til den kemiske sammensætning og fysik af stjerneplasmaet har været af afgørende betydning for astrofysikken lige siden. De har været grundlaget for et århundrede langt fremskridt i vores forståelse af universets kemiske udvikling samt af stjerners og exoplaneters fysiske struktur og udvikling. Derfor kom det som noget af et chok, da de forskellige brikker i puslespillet tilsyneladende ikke passede sammen, efterhånden som nye observationsdata blev tilgængelige og gav et indblik i vores sols indre virkemåde.

Den moderne standardmodel for soludvikling er kalibreret ved hjælp af et berømt (i solfysiske kredse) sæt af målinger af solatmosfærens kemiske sammensætning, offentliggjort i 2009. Men i en række vigtige detaljer, en rekonstruktion af vores yndlingsstjernes indre struktur baseret på denne standardmodel er i modstrid med et andet sæt målinger:helioseismiske data, det vil sige målinger, der sporer meget præcist solens minutsvingninger som helhed - den måde, solen rytmisk udvider og trækker sig sammen i karakteristiske mønstre på tidsskalaer mellem sekunder og timer .

Ligesom seismiske bølger giver geologer afgørende information om Jordens indre, eller ligesom lyden af ​​en klokke koder for information om dens form og materialeegenskaber, giver helioseismologi information om solens indre.

Krisen med soloverflod

Meget nøjagtige helioseismiske målinger gav resultater om solens indre struktur, der var i modstrid med solstandardmodellerne. Ifølge helioseismologien var det såkaldte konvektionsområde i vores sol, hvor stoffet stiger op og synker ned igen, som vand i en kogende gryde, betydeligt større end standardmodellen forudsagde. Hastigheden af ​​lydbølger nær bunden af ​​dette område afveg også fra standardmodellens forudsigelser, ligesom den samlede mængde helium i solen. Oven i købet var visse målinger af solneutrinoer – flygtige elementarpartikler, svære at opdage, der nåede os direkte fra solens kerneområder – også lidt forskudt sammenlignet med eksperimentelle data.

Astronomer havde, hvad de snart kom til at kalde en "solar overflodskrise", og på jagt efter en vej ud, varierede nogle forslag fra det usædvanlige til det direkte eksotiske. Har solen måske ophobet noget metalfattig gas under dens planetdannende fase? Transporteres energi af de notorisk ikke-interagerende mørkt stof partikler?

Beregninger ud over lokal termisk ligevægt

Den nyligt offentliggjorte undersøgelse af Ekaterina Magg, Maria Bergemann og kolleger har formået at løse den krise ved at gense de modeller, som de spektrale estimater af solens kemiske sammensætning er baseret på. Tidlige undersøgelser af, hvordan stjernernes spektre er produceret, var baseret på noget kendt som lokal termisk ligevægt. De havde antaget, at lokalt har energi i hvert område af en stjernes atmosfære tid til at sprede sig og nå en slags ligevægt. Dette ville gøre det muligt at tildele hvert sådant område en temperatur, hvilket fører til en betydelig forenkling i beregningerne.

Men allerede i 1950'erne havde astronomerne indset, at dette billede var forsimplet. Siden da har flere og flere undersøgelser inkorporeret såkaldte Non-LTE-beregninger, hvilket dropper antagelsen om lokal ligevægt. Ikke-LTE-beregningerne inkluderer en detaljeret beskrivelse af, hvordan energi udveksles i systemet - atomer bliver exciteret af fotoner, eller kolliderer, fotoner bliver udsendt, absorberet eller spredt. I stjerneatmosfærer, hvor tæthederne er alt for lave til at tillade systemet at nå termisk ligevægt, betaler den slags opmærksomhed på detaljer sig. Der giver ikke-LTE-beregninger resultater, der er markant forskellige fra deres lokale ligevægtsmodstykker.

Anvendelse af ikke-LTE på solfotosfæren

Maria Bergemanns gruppe ved Max Planck Institute for Astronomy er en af ​​verdens førende, når det kommer til at anvende ikke-LTE-beregninger på stjerneatmosfærer. Som en del af arbejdet med hendes ph.d. i den gruppe satte Ekaterina Magg sig for at beregne mere detaljeret interaktionen af ​​strålingsstof i solfotosfæren. Fotosfæren er det ydre lag, hvor det meste af solens lys stammer fra, og også hvor absorptionslinjerne er indprentet i solspektret.

I denne undersøgelse sporede de alle kemiske grundstoffer, der er relevante for de nuværende modeller af, hvordan stjerner udviklede sig over tid, og anvendte flere uafhængige metoder til at beskrive interaktionerne mellem solens atomer og dens strålingsfelt for at sikre, at deres resultater var konsistente. Til at beskrive vores sols konvektivitetsområder brugte de eksisterende simuleringer, der både tager højde for plasmaets bevægelse og strålingens fysik ("STAGGER" og "CO5BOLD"). Til sammenligningen med spektrale målinger valgte de datasættet med den højest tilgængelige kvalitet:solspektret udgivet af Institut for Astro- og Geofysik, Universitetet i Göttingen. "Vi fokuserede også meget på analysen af ​​statistiske og systematiske effekter, der kunne begrænse nøjagtigheden af ​​vores resultater," bemærker Magg.

En sol med mere ilt og tungere elementer

De nye beregninger viste, at forholdet mellem overflod af disse afgørende kemiske grundstoffer og styrken af ​​de tilsvarende spektrallinjer var væsentligt forskellig fra, hvad tidligere forfattere havde hævdet. Følgelig er de kemiske mængder, der følger af det observerede solspektrum, noget anderledes end angivet i tidligere analyse.

"Vi fandt ud af, at ifølge vores analyse indeholder solen 26 % flere grundstoffer, der er tungere end helium, end tidligere undersøgelser havde udledt," forklarer Magg. I astronomi kaldes sådanne grundstoffer, der er tungere end helium, "metaller". Kun i størrelsesordenen en tusindedel af en procent af alle atomkerner i solen er metaller; det er dette meget lille tal, der nu er ændret med 26 % af dets tidligere værdi. Magg tilføjer:"Værdien for iltmængden var næsten 15% højere end i tidligere undersøgelser." De nye værdier er dog i god overensstemmelse med den kemiske sammensætning af primitive meteoritter ("CI-kondritter"), der menes at repræsentere den kemiske sammensætning af det meget tidlige solsystem.

Krise løst

Når disse nye værdier bruges som input til nuværende modeller af solstruktur og evolution, forsvinder den forvirrende uoverensstemmelse mellem resultaterne af disse modeller og helioseismiske målinger. Magg, Bergemann og deres kollegers dybdegående analyse af, hvordan spektrallinjer produceres, med sin afhængighed af betydeligt mere komplette modeller af den underliggende fysik, formår at løse soloverflodskrisen.

Maria Bergemann siger:"De nye solmodeller baseret på vores nye kemiske sammensætning er mere realistiske end nogensinde før:de producerer en model af solen, der stemmer overens med al den information, vi har om solens nuværende struktur - lydbølger, neutrinoer , lysstyrke og solens radius – uden behov for ikke-standard, eksotisk fysik i solens indre."

Som en ekstra bonus er de nye modeller nemme at anvende på andre stjerner end solen. I en tid, hvor storskalaundersøgelser som SDSS-V og 4MOST leverer højkvalitetsspektre for et stadigt større antal stjerner, er denne form for fremskridt virkelig værdifuldt - at sætte fremtidige analyser af stjernernes kemi med deres bredere implikationer for rekonstruktioner af den kemiske udvikling af vores kosmos, på et fastere grundlag end nogensinde før.

Undersøgelsen, "Observationelle begrænsninger på grundstoffernes oprindelse. IV:Solens standardsammensætning," er offentliggjort i tidsskriftet Astronomy &Astrophysics . + Udforsk yderligere

Kerneoverskridelse begrænset af fraværet af en konvektiv solkerne og nogle sol-lignende stjerner