Experimenteren bij 4,1 miljoen graden Fahrenheit, natuurkundigen van de Z-machine van Sandia National Laboratories hebben ontdekt dat een astronomisch model - dat al 40 jaar wordt gebruikt om het gedrag van de zon en het leven en de dood van sterren te voorspellen - de energieblokkade onderschat die wordt veroorzaakt door vrij zwevende ijzeratomen, een belangrijke speler in die processen.

Het blokkeringseffect, ondoorzichtigheid genoemd, is de natuurlijke weerstand van een element tegen energie die er doorheen gaat, vergelijkbaar met de weerstand van een ondoorzichtig raam tegen de doorgang van licht.

"Door real-world discrepanties tussen theorie en onze experimenten bij Z te observeren, we waren in staat om zwakke punten te identificeren in opaciteitscijfers die zijn ingevoegd in zonnemodellen, " zei Taisuke Nagayama, hoofdauteur van de laatste publicatie van de Sandia-groepen in Fysieke beoordelingsbrieven .

Het goede nieuws is dat Sandia's experimentele opaciteitsmetingen bloedeloos kunnen helpen een grote discrepantie op te lossen in de manier waarop het veelgebruikte standaard zonnemodel de samenstelling van de zon gebruikt om het gedrag van sterren te voorspellen.

Tot 2005, De vermenigvuldiging door het SSM van de hoeveelheid van elk element dat aanwezig is door zijn ondoorzichtigheid was verantwoordelijk voor de waargenomen temperatuurstructuur van de zon. Maar nieuwe astrofysische waarnemingen en meer geavanceerde fysica brachten astronomen ertoe hun schattingen van de samenstelling van de zon te herzien. Helaas, deze nieuwe schattingen, in het model ingevoegd en vermenigvuldigd met hun opaciteit, hield geen rekening met de temperatuur van de zon. Er waren drie mogelijkheden:ofwel waren de nieuwe compositiewaarnemingen onnauwkeurig, of het vereerde SodM had ongelijk, of de theoretisch afgeleide opaciteiten van elementen waren onjuist.

Experimenten bij de temperatuur van de zon geven antwoorden

De beste resolutie zou duidelijk komen van experimenten die zijn uitgevoerd bij dezelfde temperaturen als die in het binnenste van de zon.

Meer dan een decennium geleden, Sandia-onderzoekers begonnen stukjes ijzer te nemen, elk kleiner dan een dubbeltje, en ze in het doelgebied van Z te steken. Toen Z vuurde, de extreme hitte veranderde de vaste stof in plasma (een gas) zoals het in de zon bestaat, maar alleen voor nanoseconden. Dat was lang genoeg, echter, voor onderzoekers om een ​​energiegolf door elk monster te sturen en te meten hoeveel er doorheen is gegaan. Het idee was om te creëren, Voor de eerste keer, laboratoriumafgeleide metingen van de opaciteit van ijzer bij de temperatuur van de zon om te achterhalen of het overeenkwam met de theoretische cijfers die in berekeningen van het standaard zonnemodel werden gebruikt.

Door de opaciteit van ijzer te vergroten tot de mate die door Z in meerdere onafhankelijke experimenten werd aangetoond, werd ongeveer de helft van de discrepantie tussen de berekende en de werkelijke zonnetemperatuur verwijderd, zei Nagayama.

"Astronomen zijn blij met ons omdat we zeggen dat het de ondoorzichtigheidscijfers zijn die verkeerd kunnen zijn, "Zei de auteur van het artikel en Sandia-onderzoeker Jim Bailey. "Dan hoeven ze geen nieuw model te bedenken en al hun berekeningen opnieuw uit te voeren met de zon als maatstaf voor het voorspellen van de evolutie van sterren."

Dat komt omdat astronomen de samenstelling van de zon gebruiken als referentie voor het heelal.

"Het verminderen van de hoeveelheid zuurstof in de zon met 50% is gelijk aan het halveren van de hoeveelheid water (H2O) in het heelal, ' zei Bailey. 'Er draaien veel exoplaneten rond zonachtige sterren; het herzien van het begrip van onze zon zou ook een aanzienlijke invloed hebben op het begrijpen van die exoplaneten.

"De astronomen vonden de veronderstelling van ondoorzichtigheid het beste, en dat is wat we tot nu toe vinden."

Een metalen verrassing

Op dezelfde proef Sandia heeft ook de opaciteit van chroom en nikkel gemeten onder dezelfde omstandigheden als bij ijzer. Het idee was om die elementen te gebruiken - respectievelijk kleiner en groter dan ijzer, maar naast ijzer in het periodiek systeem - alsof ijzer steeds verder van de kern van de zon werd getest. Verrassend genoeg, die elementen produceerden experimentele opaciteitsresultaten die in principe in overeenstemming waren met modelvoorspellingen bij sommige fotonenergieën. Nog altijd, ze verschilden van opaciteitsvoorspellingen bij bepaalde golflengten - meer koren voor modelrevisie.

"Ons werk van de afgelopen vijf jaar was gericht op het oplossen van de discrepanties, "zei Nagayama. "En toch betekenen de nieuwe resultaten dat nieuwe wetenschap nodig kan zijn om ze te verklaren."

Om nieuwe experimentele resultaten te verklaren, natuurkundigen onderzoeken nieuwe modellen. Een, genaamd twee-foton opaciteit, onderzoekt het idee dat een element twee fotonen tegelijk kan absorberen in plaats van de ene gedachtestandaard.

"Als deze multi-fotonabsorptie in het model wordt overwogen, het zou de berekende ijzeropaciteit verbeteren en kan de discrepantie oplossen, " hij zei.

Indien correct, het nieuwe natuurkundige model moet de opaciteitstoename alleen voor ijzer berekenen, aangezien model en gegevens het al eens zijn voor chroom en nikkel.

Andere experimentele beperkingen zijn het feit dat er weinig bekend is over de structuur van de zon binnen bepaalde afstanden van het centrum van de zon.

"Is de discrepantie erger als je nog dieper in de zon gaat?" vroeg Nagayama. "We weten het niet. Het hangt allemaal af van wat de discrepantie veroorzaakt. We kunnen ontdekken dat de discrepantie nog erger is in de zonnekern, of het probleem kan worden geïsoleerd in de regio rond 0,7 zonnestralen, de afstand die overeenkomt met de energieën waarop deze experimenten werden uitgevoerd."

Het beantwoorden van die vragen zou moeten leiden tot een nauwkeuriger model, hij zei.

"Experimenten met heet dicht plasma zijn uitdagend genoeg om de mogelijkheid van fouten niet uit te sluiten, "Zei Nagayama. "En de wetenschappelijke impact is enorm - dit verplicht ons om door te gaan met het onderzoeken van de geldigheid van het experiment."