Door de zon gecorrigeerde compositie – Elementmetingen corrigeren de discrepantie tussen de spectrograaf en de wetenschap van de zon

Verrassend anders: onze zon bevat meer zuurstof, silicium en neon dan eerder werd gedacht – en het aandeel van alle zware elementen is 26 procent hoger dan de huidige modellen, hebben astronomen ontdekt. Dit werpt niet alleen een nieuw licht op de structuur en samenstelling van onze ster, maar de nieuwe waarden illustreren ook de discrepantie tussen spectroscopische gegevens en heliografische metingen die al tientallen jaren verbijsterd zijn.

Om erachter te komen welke elementen een ster als onze zon bevat, gebruiken astronomen spectroscopie: Donkere lijnen in de regenboog van het lichtspectrum verraden waar en welke delen van de straling door atomen worden geabsorbeerd. In de jaren twintig ontdekten astrofysici ook dat de sterkte van deze spectraallijnen het ook mogelijk maakte conclusies te trekken over de temperatuur aan de bron. Sindsdien heeft het zonnespectrum een ​​belangrijke basis gevormd voor modellen van de structuur en evolutie van de zon en andere sterren.

verbijsterende tegenstrijdigheid

Het was nog schokkender toen astronomen een paar jaar geleden beseften dat deze gegevens en modellen niet strookten met de resultaten zonnewetenschap fit. Met deze relatief nieuwe meetmethode gebruiken onderzoekers de minieme oscillaties van de zon en het oppervlak om conclusies te trekken over de processen en vorming binnenin. Waarnemingen van heliosme wijken echter op een aantal cruciale punten af ​​van die van traditionele modellen op basis van spectroscopische gegevens.

Een tegenstrijdigheid is dat de laag in de zon die door convectiestromen werd gevormd veel groter moet zijn dan modellen voorspellen. Ook de snelheid van geluidsgolven in het onderste deel van het convectiegebied, de totale hoeveelheid helium en het vrijkomen van zonneneutrino’s laten duidelijke verschillen zien met de spectroscopische modellen. Jarenlang hebben astronomen deze fundamentele tegenstrijdigheid, die de ‘crisis van de overvloed aan zonne-energie’ wordt genoemd, verbijsterd en bediscussieerd.

Hoe kan deze discrepantie tussen twee fundamentele en gevestigde methoden van zonneonderzoek worden verklaard? Sommige onderzoekers hebben nogal vreemde hypothesen naar voren gebracht, waarin wordt beweerd dat onze ster in zijn vroege dagen metaalarm gas heeft ingeslikt of dat donkere materie zich in het binnenste van de zon bevindt.

Een nieuwe beoordeling van het zonnespectrum

Astronomen onder leiding van Ekaterina Mag van het Max Planck Institute for Astronomy in Heidelberg hebben echter voor een andere benadering gekozen. Tot dusverre gingen modellen die gebaseerd zijn op spectroscopische gegevens voornamelijk uit van een lokaal thermisch evenwicht (LTE) in het binnenste van de zon. Dan bereikt de energie in elk gebied van de stellaire atmosfeer een evenwicht dat de lokale temperatuur bepaalt. Recente gegevens wijzen er echter op dat dit thermische evenwicht in veel sterrenatmosferen niet wordt bereikt – en dus is het model te vereenvoudigd.

Dus gebruikten Mag en haar team gegevens van zonnespectra met hoge resolutie om de interactie tussen straling en materie in de fotosfeer van de zon nauwkeuriger te berekenen met behulp van zogenaamde niet-LTE-berekeningen. Op basis van deze berekeningen herstelden ze de relatie tussen de sterkte van de spectraallijnen en de overvloed van het corresponderende element – en verkregen zo nieuwe gegevens over de chemische samenstelling van de zon.

De zon is meer dan verwacht rijk aan mineralen

Verrassend resultaat: de nieuwe bevindingen wijken voor een aantal belangrijke elementen significant af van bestaande modellen. De zon bevat blijkbaar meer zuurstof, silicium en neon dan eerder werd aangenomen. “De waarde van het zuurstofgehalte was ongeveer 15 procent hoger dan in eerdere onderzoeken”, zegt Mag. Over het algemeen is het aandeel elementen zwaarder dan helium in de zon 26 procent hoger dan eerder werd gedacht – dus de zon is veel rijker aan mineralen dan eerdere veronderstellingen.

Het belangrijkste is dat deze nieuwe waarden de “zonovervloedcrisis” oplossen: door de waarden van spectrale elementen in modellen van de structuur en evolutie van de zon te introduceren, verdwijnt de raadselachtige discrepantie met seismische metingen van de zon. “Dit is de eerste keer dat standaard zonnemodellen op basis van de resultaten van spectroscopie de interne structuur van de zon kunnen reproduceren, die is bepaald door heliowetenschappelijke technieken”, zegt het onderzoeksteam.

Een betere manier om zonne-energie te modelleren

De studie maakt zo de weg vrij voor nieuwe modellen van de zon en de stellaire structuur die compatibel zijn met spectroscopische waarnemingen en heliosmologie. “Nieuwe zonnemodellen, die zijn gebaseerd op de nieuwe chemische samenstellingswaarden die we hebben geïdentificeerd, zijn realistischer dan ooit: ze produceren een model van de zon dat overeenkomt met alle informatie die we vandaag hebben over de structuur van de zon. geluidsgolven, neutrino’s, helderheid en zonnestraal – zonder dat je de vreemde fysica in de zon hoeft te gebruiken’, zegt Maria Bergmann, mede-MAG.

Een ander voordeel is dat de nieuwe modellen ook beter toepasbaar zijn op andere sterren dan de zon. Dit plaatst toekomstige analyses van stellaire chemie, en daarmee de reconstructie van de chemische evolutie van ons heelal, op een steeds steviger fundament. (Astronomie en astrofysica, 2022; doi: 10.1051/0004-6361/202142971)

Bron: Max Planck Instituut voor Astronomie

25 mei 2022

– Nadia Podebrigar