Wat doe je als een beproefde methode om de chemische samenstelling van de zon te bepalen op gespannen voet lijkt te staan ​​met een innovatieve, nauwkeurige techniek om de innerlijke structuur van de zon in kaart te brengen? Dat was de situatie waarmee astronomen die de zon bestudeerden, werden geconfronteerd - tot nieuwe berekeningen die nu zijn gepubliceerd door Ekaterina Magg, Maria Bergemann en collega's, en die de schijnbare tegenstrijdigheid oplossen.

De tien jaar durende zonne-abundantiecrisis is het conflict tussen de interne structuur van de zon, zoals bepaald aan de hand van zonneoscillaties (helioseismologie) en de structuur die is afgeleid van de fundamentele theorie van stellaire evolutie, die op zijn beurt afhankelijk is van metingen van de chemische eigenschappen van de huidige zon. samenstelling. De nieuwe berekeningen van de fysica van de atmosfeer van de zon leveren bijgewerkte resultaten op voor abundanties van verschillende chemische elementen, die het conflict oplossen. Opvallend is dat de zon meer zuurstof, silicium en neon bevat dan eerder werd gedacht. De gebruikte methoden beloven ook aanzienlijk nauwkeurigere schattingen van de chemische samenstelling van sterren in het algemeen.

Astrochemie met behulp van spectra

De beproefde methode in kwestie is spectrale analyse. Om de chemische samenstelling van onze zon of van een andere ster daarbuiten te bepalen, wenden astronomen zich routinematig tot spectra:de regenboogachtige ontbinding van licht in zijn verschillende golflengten. Stellaire spectra bevatten opvallende, scherpe donkere lijnen, voor het eerst opgemerkt door William Wollaston in 1802, beroemd herontdekt door Joseph von Fraunhofer in 1814, en geïdentificeerd als verklikkerborden die de aanwezigheid van specifieke chemische elementen aangeven door Gustav Kirchhoff en Robert Bunsen in de jaren 1860.

Baanbrekend werk van de Indiase astrofysicus Meghnad Saha in 1920 bracht de sterkte van die 'absorptielijnen' in verband met de stellaire temperatuur en chemische samenstelling, wat de basis vormde voor onze fysieke modellen van sterren. Cecilia Payne-Gaposchkin's besef dat sterren zoals onze zon voornamelijk uit waterstof en helium bestaan, met niet meer dan sporen van zwaardere chemische elementen, is op dat werk gebaseerd.

Zonnetrillingen die een ander verhaal vertellen

De onderliggende berekeningen die spectrale kenmerken in verband brengen met de chemische samenstelling en fysica van het stellaire plasma zijn sindsdien van cruciaal belang geweest voor de astrofysica. Ze vormden de basis van een eeuwenlange vooruitgang in ons begrip van de chemische evolutie van het universum, evenals van de fysieke structuur en evolutie van sterren en exoplaneten. Daarom kwam het als een schok toen, toen nieuwe waarnemingsgegevens beschikbaar kwamen en inzicht gaven in de innerlijke werking van onze zon, de verschillende puzzelstukjes blijkbaar niet in elkaar pasten.

Het moderne standaardmodel van zonne-evolutie is gekalibreerd met behulp van een beroemde (in zonnefysica-kringen) reeks metingen van de chemische samenstelling van de zonneatmosfeer, gepubliceerd in 2009. Maar in een aantal belangrijke details, een reconstructie van de innerlijke structuur van onze favoriete ster op basis van dat standaardmodel is in tegenspraak met een andere reeks metingen:helioseismische gegevens, dat wil zeggen metingen die zeer nauwkeurig de minieme oscillaties van de zon als geheel volgen - de manier waarop de zon ritmisch uitzet en samentrekt in karakteristieke patronen, op tijdschalen tussen seconden en uren .

Net zoals seismische golven geologen cruciale informatie verschaffen over het binnenste van de aarde, of zoals het geluid van een bel informatie codeert over de vorm en materiaaleigenschappen, verschaft helioseismologie informatie over het binnenste van de zon.

De crisis van de overvloed aan zonne-energie

Zeer nauwkeurige helioseismische metingen gaven resultaten over de interne structuur van de zon die in strijd waren met de standaardmodellen van de zon. Volgens de helioseismologie was het zogenaamde convectieve gebied binnen onze zon waar materie opkomt en weer zakt, als water in een kokende pot, aanzienlijk groter dan het standaardmodel voorspelde. De snelheid van geluidsgolven nabij de bodem van dat gebied week ook af van de voorspellingen van het standaardmodel, evenals de totale hoeveelheid helium in de zon. Als klap op de vuurpijl waren bepaalde metingen van zonne-neutrino's - vluchtige elementaire deeltjes, moeilijk te detecteren, die ons rechtstreeks vanuit de kerngebieden van de zon bereiken - ook iets afwijkend in vergelijking met experimentele gegevens.

Astronomen hadden wat ze al snel een 'crisis van de overvloed aan zonne-energie' gingen noemen, en op zoek naar een uitweg varieerden sommige voorstellen van ongebruikelijk tot ronduit exotisch. Heeft de zon misschien wat metaalarm gas opgehoopt tijdens zijn planeetvormingsfase? Wordt energie getransporteerd door de notoir niet-interagerende donkere materiedeeltjes?

Berekeningen voorbij lokaal thermisch evenwicht

De nieuw gepubliceerde studie van Ekaterina Magg, Maria Bergemann en collega's is erin geslaagd die crisis op te lossen door de modellen te herzien waarop de spectrale schattingen van de chemische samenstelling van de zon zijn gebaseerd. Vroege studies over hoe de spectra van sterren worden geproduceerd, waren gebaseerd op iets dat bekend staat als lokaal thermisch evenwicht. Ze waren ervan uitgegaan dat lokaal energie in elk gebied van de atmosfeer van een ster de tijd heeft om zich te verspreiden en een soort evenwicht te bereiken. Dit zou het mogelijk maken om aan elk van deze regio's een temperatuur toe te kennen, wat leidt tot een aanzienlijke vereenvoudiging van de berekeningen.

Maar al in de jaren vijftig hadden astronomen zich gerealiseerd dat deze afbeelding te vereenvoudigd was. Sindsdien zijn in steeds meer onderzoeken zogenaamde Non-LTE-berekeningen opgenomen, waardoor de aanname van lokaal evenwicht is komen te vervallen. De niet-LTE-berekeningen bevatten een gedetailleerde beschrijving van hoe energie wordt uitgewisseld binnen het systeem:atomen worden opgewonden door fotonen of botsen, fotonen worden uitgezonden, geabsorbeerd of verstrooid. In sterrenatmosferen, waar de dichtheden veel te laag zijn om het systeem in staat te stellen een thermisch evenwicht te bereiken, loont dat soort aandacht voor detail. Daar leveren niet-LTE-berekeningen resultaten op die aanzienlijk verschillen van hun tegenhangers in lokaal evenwicht.

Niet-LTE toepassen op de fotosfeer van de zon

De groep van Maria Bergemann aan het Max Planck Institute for Astronomy is een van de wereldleiders als het gaat om het toepassen van niet-LTE-berekeningen op stellaire atmosferen. Als onderdeel van het werk aan haar Ph.D. in die groep ging Ekaterina Magg op zoek naar een gedetailleerdere berekening van de interactie van stralingsmaterie in de fotosfeer van de zon. De fotosfeer is de buitenste laag waar het meeste zonlicht vandaan komt, en ook waar de absorptielijnen op het zonnespectrum zijn afgedrukt.

In deze studie volgden ze alle chemische elementen die relevant zijn voor de huidige modellen van hoe sterren in de loop van de tijd evolueerden, en pasten ze meerdere onafhankelijke methoden toe om de interacties tussen de atomen van de zon en het stralingsveld te beschrijven om er zeker van te zijn dat hun resultaten consistent waren. Om de convectieve gebieden van onze zon te beschrijven, gebruikten ze bestaande simulaties die rekening houden met zowel de beweging van het plasma als de fysica van straling ("STAGGER" en "CO5BOLD"). Voor de vergelijking met spectrale metingen kozen ze de dataset met de hoogst beschikbare kwaliteit:het zonnespectrum gepubliceerd door het Instituut voor Astro- en Geofysica, Universiteit van Göttingen. "We hebben ons ook uitgebreid gericht op de analyse van statistische en systematische effecten die de nauwkeurigheid van onze resultaten zouden kunnen beperken", merkt Magg op.

Een zon met meer zuurstof en zwaardere elementen

De nieuwe berekeningen toonden aan dat de relatie tussen de abundanties van deze cruciale chemische elementen en de sterkte van de overeenkomstige spectraallijnen significant verschilde van wat eerdere auteurs beweerden. Bijgevolg zijn de chemische abundanties die volgen uit het waargenomen zonnespectrum enigszins anders dan vermeld in de vorige analyse.

"We ontdekten dat volgens onze analyse de zon 26% meer elementen bevat die zwaarder zijn dan helium dan eerdere studies hadden afgeleid", legt Magg uit. In de astronomie worden dergelijke elementen die zwaarder zijn dan helium 'metalen' genoemd. Slechts in de orde van grootte van een duizendste van een procent van alle atoomkernen in de zon zijn metalen; het is dit zeer kleine aantal dat nu met 26% is veranderd van zijn vorige waarde. Magg voegt toe:"De waarde voor de zuurstof overvloed was bijna 15% hoger dan in eerdere studies." De nieuwe waarden komen echter goed overeen met de chemische samenstelling van primitieve meteorieten ("CI-chondrieten") waarvan wordt aangenomen dat ze de chemische samenstelling van het zeer vroege zonnestelsel vertegenwoordigen.

Crisis opgelost

Wanneer die nieuwe waarden worden gebruikt als input voor huidige modellen van zonnestructuur en evolutie, verdwijnt de raadselachtige discrepantie tussen de resultaten van die modellen en helioseismische metingen. De diepgaande analyse door Magg, Bergemann en hun collega's van hoe spectraallijnen worden geproduceerd, met zijn afhankelijkheid van aanzienlijk completere modellen van de onderliggende fysica, slaagt erin de zonne-abundantiecrisis op te lossen.

Maria Bergemann zegt:"De nieuwe zonnemodellen op basis van onze nieuwe chemische samenstelling zijn realistischer dan ooit tevoren:ze produceren een model van de zon dat consistent is met alle informatie die we hebben over de huidige structuur van de zon - geluidsgolven, neutrino's , helderheid en de straal van de zon - zonder de noodzaak van niet-standaard, exotische fysica in het binnenste van de zon."

Als extra bonus zijn de nieuwe modellen eenvoudig toe te passen op andere sterren dan de zon. In een tijd waarin grootschalige onderzoeken zoals SDSS-V en 4MOST spectra van hoge kwaliteit bieden voor een steeds groter aantal sterren, is dit soort vooruitgang inderdaad waardevol - het plaatsen van toekomstige analyses van stellaire chemie, met hun bredere implicaties voor reconstructies van de chemische evolutie van onze kosmos, op een stevigere basis dan ooit tevoren.

De studie, "Observational constraints on the origin of the elements. IV:The standard composition of the sun", is gepubliceerd in het tijdschrift Astronomy &Astrophysics . + Verder verkennen

Kernoverschrijding beperkt door de afwezigheid van een convectieve zonnekern en enkele zonne-achtige sterren