Eksperimenter med solens temperatur tilbyder løsninger på solmodelproblemer

Eksperimenterer med 4,1 millioner grader Fahrenheit, fysikere ved Sandia National Laboratories 'Z-maskine har fundet ud af, at en astronomisk model-brugt i 40 år til at forudsige solens adfærd såvel som stjerners liv og død-undervurderer energiblokering forårsaget af frit svævende jernatomer, en stor spiller i disse processer.

Blokeringseffekten, kaldes uigennemsigtighed, er et elements naturlige modstand mod energi, der passerer gennem det, ligner et uigennemsigtigt vindues modstand mod passage af lys.

"Ved at observere virkelige uoverensstemmelser mellem teori og vores eksperimenter på Z, vi var i stand til at identificere svagheder i uigennemsigtighedstal indsat i solmodeller, "sagde Taisuke Nagayama, hovedforfatter på Sandia -gruppernes seneste publikation i Fysisk gennemgangsbreve .

Den gode nyhed er, at Sandias eksperimentelle uigennemsigtighedsmålinger kan hjælpe blodløst med at løse en større uoverensstemmelse i, hvordan den meget udbredte Standard Solar Model bruger solens sammensætning til at forudsige stjerners adfærd.

Indtil 2005, SSM's multiplikation af mængden af ​​hvert element til stede med dets uigennemsigtighed tegnede sig for den observerede temperaturstruktur af solen. Men nye astrofysiske observationer og mere sofistikeret fysik fik derefter astronomer til at revidere deres estimater af solens sammensætning. Desværre, disse nye skøn, indsat i modellen og ganget med deres uigennemsigtigheder, tog ikke højde for solens temperatur. Der var tre muligheder:enten var de nye sammensætningsobservationer unøjagtige, eller den ærede SSM var forkert, eller elementernes teoretisk afledte uklarhed var forkert.

Eksperimenter med solens temperatur giver svar

Den bedste opløsning ville klart komme fra forsøg udført ved de samme temperaturer som dem, der findes i solens indre.

For mere end et årti siden, Sandia -forskere begyndte at tage jernstykker, hver mindre end en skilling, og indsætte dem i målområdet for Z. Når Z affyrede, den ekstreme varme ændrede det faste stof til plasma (en gas), da det eksisterer i solen, men kun for nanosekunder. Det var længe nok, imidlertid, for forskere at sende en energibølge gennem hver prøve og måle, hvor meget der kom igennem. Tanken var at skabe, for første gang, laboratorieafledte mål for opaciteten af ​​jern ved solens temperatur for at finde ud af, om det var i overensstemmelse med de teoretiske tal, der blev brugt i standard solmodelberegninger.

Forøgelse af opaciteten af ​​jern i det omfang, Z påviste i flere uafhængige forsøg, fjernede omkring halvdelen af ​​uoverensstemmelsen mellem beregnet og faktisk soltemperatur, Sagde Nagayama.

"Astronomer er glade for os, fordi vi siger, at det er uigennemsigtighedstal, der kan være forkerte, "sagde papirforfatter og Sandia -forsker Jim Bailey." Så behøver de ikke finde på en ny model og foretage alle deres beregninger igen ved hjælp af solen som et pejlemærke til forudsigelse af stjernernes udvikling. "

Det er fordi astronomer bruger solens sammensætning som reference for universet.

"At reducere iltmængden i solen med 50% svarer til at halvere mængden af ​​vand (H2O) i universet, "sagde Bailey." Der er mange eksoplaneter, der kredser rundt om sollignende stjerner; revision af forståelsen af ​​vores sol ville også have en betydelig indvirkning på forståelsen af ​​disse exoplaneter.

"Astronomerne kunne bedst lide opacitet -formodningen, og det er det, vi finder indtil videre. "

En metallisk overraskelse

På samme test, Sandia målte også opaciteterne af chrom og nikkel under de samme betingelser, der blev brugt på jern. Ideen var at bruge disse elementer - henholdsvis mindre og større end jern, men støder op til jern i det periodiske system - som om jern blev testet tættere og længere fra solens kerne. Overraskende nok, disse elementer frembragte eksperimentel opacitet resulterer dybest set i overensstemmelse med modelforudsigelser ved nogle fotonergier. Stadig, de adskilte sig fra opacitetsprognoser ved bestemte bølgelængder - yderligere grist til modelrevision.

"Vores arbejde i de sidste fem år har været fokuseret på at løse uoverensstemmelser, "sagde Nagayama." Og alligevel betyder de nye resultater, at ny videnskab kan være nødvendig for at redegøre for dem. "

For at forklare nye eksperimentelle resultater, fysikere undersøger nye modeller. En, kaldes to-foton-opacitet, udforsker ideen om, at et element kan absorbere to fotoner ad gangen i stedet for en -tankestandarden.

"Hvis denne multi-fotonabsorption betragtes i modellen, det ville forbedre den beregnede jernopacitet og kan løse uoverensstemmelsen, " han sagde.

Hvis det er korrekt, den nye fysikmodel skal kun beregne opacitetsforøgelsen for jern, da model og data allerede er enige om chrom og nikkel.

Andre eksperimentelle begrænsninger omfatter, at der kun vides lidt om solens struktur inden for bestemte afstande fra solens centrum.

"Er uoverensstemmelsen værre, hvis du går endnu dybere i solen?" Spurgte Nagayama. "Vi ved det ikke. Det hele afhænger af, hvad der forårsager uoverensstemmelsen. Vi kan opleve, at uoverensstemmelsen er endnu værre i solkernen, eller problemet kan isoleres til området omkring 0,7 solradier, afstanden, der matcher de energier, hvormed disse eksperimenter blev udført. "

Besvarelse af disse spørgsmål bør føre til en mere præcis model, han sagde.

"Eksperimenter med varmt tæt plasma er udfordrende nok til, at vi ikke bør udelukke muligheden for fejl, "Og Nagayama sagde." Og den videnskabelige effekt er enorm - det forpligter os til at fortsætte med at undersøge eksperimentets validitet. "