Zaskakująco inaczej: nasze Słońce zawiera więcej tlenu, krzemu i neonu niż wcześniej sądzono — a proporcja wszystkich ciężkich pierwiastków jest o 26% wyższa niż w obecnych modelach, odkryli astronomowie. To nie tylko rzuca nowe światło na strukturę i skład naszej gwiazdy, ale nowe wartości ilustrują również rozbieżność między danymi spektroskopowymi a pomiarami heliograficznymi, która była zdumiewająca od dziesięcioleci.

Aby dowiedzieć się, jakie pierwiastki zawiera gwiazda, taka jak nasze słońce, astronomowie używają Spektroskopia: Ciemne linie w tęczy widma światła pokazują, gdzie i jakie części promieniowania są pochłaniane przez atomy. W latach dwudziestych astrofizycy odkryli również, że siła tych linii spektralnych pozwala również na wyciągnięcie wniosków na temat temperatur u ich źródła. Od tego czasu widmo słoneczne stanowiło ważną podstawę dla modeli budowy i ewolucji Słońca i innych gwiazd.

zaskakująca sprzeczność

Jeszcze bardziej szokujące było to, że kilka lat temu astronomowie zdali sobie sprawę, że te dane i modele były niezgodne z wynikami nauka o słońcu pasować. Dzięki tej stosunkowo nowej metodzie pomiarowej naukowcy wykorzystują drobne oscylacje Słońca i jego powierzchni do wyciągania wniosków na temat procesów i formowania się wewnątrz. Jednak obserwacje heliosmu odbiegają od tradycyjnych modeli opartych na danych spektroskopowych w kilku kluczowych punktach.

Jedna ze sprzeczności polega na tym, że warstwa na Słońcu utworzona przez prądy konwekcyjne musi być znacznie większa niż przewidują modele. Prędkość fal dźwiękowych w dolnej części obszaru konwekcji, całkowita ilość helu i uwalnianie neutrin słonecznych również wykazują wyraźne różnice w porównaniu z modelami spektroskopowymi. Przez lata astronomowie zbijali z tropu i debatowali nad tą fundamentalną sprzecznością, którą nazwano „kryzysem słonecznej obfitości”.

Jak wyjaśnić tę rozbieżność między dwiema podstawowymi i ugruntowanymi metodami badań Słońca? Niektórzy badacze wysunęli dość dziwne hipotezy, w których mówi się, że nasza gwiazda połykała ubogi w metale gaz we wczesnych latach lub ciemna materia jest ukryta we wnętrzu Słońca.

Nowa ocena widma słonecznego

Jednak astronomowie kierowani przez Ekaterinę Mag z Instytutu Astronomii im. Maxa Plancka w Heidelbergu wybrali inne podejście. Dotychczas modele oparte na danych spektroskopowych zakładały głównie lokalną równowagę termiczną (LTE) we wnętrzu Słońca. Następnie energia w każdym regionie gwiezdnej atmosfery osiąga równowagę, która określa lokalną temperaturę. Jednak ostatnie dane wskazują, że ta równowaga termiczna nie jest osiągana w wielu atmosferach gwiezdnych – a zatem model jest nadmiernie uproszczony.

Dlatego Mag i jej zespół wykorzystali dane z widm słonecznych o wysokiej rozdzielczości, aby dokładniej obliczyć oddziaływanie promieniowania z materią w fotosferze słonecznej przy użyciu tak zwanych obliczeń innych niż LTE. Na podstawie tych obliczeń odtworzyli związek między siłą linii widmowych a obfitością odpowiedniego pierwiastka – i w ten sposób uzyskali nowe dane dotyczące składu chemicznego Słońca.

Słońce jest bogate w minerały bardziej niż oczekiwano

Zaskakujący wynik: nowe odkrycia znacznie odbiegają od obecnych modeli w przypadku wielu ważnych komponentów. Słońce najwyraźniej zawiera więcej tlenu, krzemu i neonu, niż wcześniej zakładano. „Wartość nasycenia tlenem była o około 15 procent wyższa niż w poprzednich badaniach”, mówi Mag. Ogólnie rzecz biorąc, udział pierwiastków cięższych od helu w Słońcu jest o 26 procent wyższy niż wcześniej sądzono – więc Słońce jest znacznie bogatsze w minerały niż poprzednie założenia.

Co najważniejsze, te nowe wartości rozwiązują „kryzys obfitości słońca”: wprowadzając wartości pierwiastków spektralnych do modeli budowy i ewolucji Słońca, znika zagadkowa rozbieżność z pomiarami sejsmicznymi Słońca. „Po raz pierwszy standardowe modele Słońca oparte na wynikach spektroskopii mogą odtworzyć wewnętrzną strukturę Słońca, która została określona technikami helioscience” – mówi zespół badawczy.

Lepszy sposób na modele energii słonecznej

Badania torują zatem drogę nowym modelom struktury Słońca i gwiazdy, które są zgodne z obserwacjami spektroskopowymi i heliosmologią. „Nowe modele Słońca, oparte na nowych wartościach składu chemicznego, które zidentyfikowaliśmy, stają się bardziej realistyczne niż kiedykolwiek: tworzą model Słońca, który pasuje do wszystkich informacji, jakie posiadamy o strukturze Słońca dzisiaj. — dźwięk fale, neutrina, jasność i promień Słońca — bez konieczności korzystania z Dziwnej fizyki wewnątrz Słońca” — mówi Maria Bergmann, koleżanka z magazynu.

Kolejną zaletą jest to, że nowe modele można również lepiej zastosować do gwiazd innych niż Słońce. Stawia to przyszłe analizy chemii gwiazd, a tym samym rekonstrukcję chemicznej ewolucji naszego wszechświata, na coraz solidniejszym fundamencie. (Astronomia i Astrofizyka, 2022; doi: 10.1051/0004-6361/202142971)

Źródło: Instytut Astronomii im. Maxa Plancka

25 maja 2022

– Nadia Podebrigar