Den beprövade metoden för att bestämma solens
kemiska sammansättning med spektralanalys verkar stå i strid med en
innovativ exaktare teknik för att kartlägga solens inre struktur. Det var
situationen för astronomer som studerade solen nyligen tills nya beräkningar som nu
har publicerats av Ekaterina Magg, Maria Bergemann och kollegor vid Max
Planck-institutet för astronomi i Heidelberg,
löste mysteriet.
Det var den indiska astrofysikern Meghnad Saha 1920 som var den som relaterade styrkan hos dessa "absorptionslinjer" till
stjärntemperatur och kemisk sammansättning vilket utgör grunden för våra
fysiska modeller av stjärnor (spektralanalys). Cecilia Payne-Gaposchkins insikt
om att stjärnor som vår sol huvudsakligen består av väte och helium, med spårmängder av tyngre kemiska grundämnen bygger på det arbetet.
De underliggande beräkningarna som relaterar
till spektrala undersökningar av stjärnplasmans kemiska sammansättning och fysik har
varit av avgörande betydelse för astrofysiken sedan dess. De har varit grunden
för ett sekellångt framsteg i vår förståelse av universums kemiska utveckling
såväl som av den fysiska strukturen och utvecklingen av stjärnor och
exoplaneter. Det var därför det kom som något av en chock när nya
observationsdata blev tillgängliga och gav en inblick i vår sols inre som inte passade ihop med vad spektralanalys visat.
Den moderna standardmodellen för solutveckling
kalibreras med hjälp av en berömd (i solfysikkretsar) uppsättning mätningar av
solatmosfärens kemiska sammansättning. Men i ett antal viktiga detaljer
motsäger en rekonstruktion av vår sols inre struktur baserad på standardmodellen en annan uppsättning
mätningar: helioseismiska data, det vill säga mätningar som spårar mycket exakt
de små svängningarna av solen som helhet av hur solen rytmiskt expanderar och
kontraherar i karakteristiska mönster över tidsskalor mellan sekunder till
timmar.
Precis som seismiska vågor ger geologer viktig information om jordens inre likt ljudet av en klocka kodar information om dess form och materialegenskaper ger helioseismologi information om solens inre.
Noggranna helioseismiska mätningar gav resultat omsolens inre struktur som stod i strid med solstandardmodellen. Enligt
helioseismologin var den så kallade konvektiva regionen i vår sol områden där
materia stiger och sjunker som vatten i en kokande kastrull betydligt mer än
standardmodellen förutspått. Ljudvågornas hastighet nära botten av regionen
avvek även de från standardmodellens förutsägelse liksom den totala mängden av
helium i solen. Vissa mätningar av solneutriner - flyktiga elementära partiklar
från solens kärna är däremot svåra att upptäcka.
Astronomer hade vad de kom att kalla en
"solöverflödskris", på jakt efter en förklaring av detta överflöd fanns några förslag från det
ovanliga till det rent exotiska. Man ställde sig frågorna; Har solen kanske
ackumulerat någon metallfattig gas under sitt bildande? Transporteras energi av
de notoriskt icke-interagerande partiklarna av mörk materia?
Den nyligen publicerade studien av Ekaterina Magg och Maria Bergemann med kollegor har lyckats lösa den frågan genom att se över de
modeller av spektraluppskattningar som finns om solens kemiska sammansättning.
Tidiga studier av hur stjärnornas spektra hade förlitat sig på något
som kallas lokal termisk jämvikt. De hade antagit att energin lokalt i varje
region av en stjärnas atmosfär över tid når en slags jämvikt. Detta skulle göra
det möjligt att tilldela varje sådan region en temperatur vilket ger en
avsevärd förenkling av beräkningarna.
Redan på 1950-talet hade dock astronomer insett att denna bild var förenklad. Sedan dess har fler och fler studier införlivat så kallade icke-LTE-beräkningar, vilket släpper antagandet om lokal jämvikt. Icke-LTE-beräkningarna innehåller en detaljerad beskrivning av hur energi utbyts i systemet innebärande hur atomer som blir upphetsade av fotoner eller kolliderar absorberas eller sprids. I stjärnatmosfärer, där densiteten är alldeles för låga för att systemet ska kunna nå termisk jämvikt lönar sig den typen av uppmärksamhet av detaljer. Där ger icke-LTE-beräkningar resultat som skiljer sig markant från deras lokala jämviktsmotsvarigheter.
Maria Bergemanns grupp vid Max Planck-institutet för astronomi är en av de världsledande när det gäller att tillämpa icke-LTE-beräkningar på stjärnatmosfärer. Som en del av arbetet med sin doktorsexamen bestämde sig Ekaterina Magg sig för att mer detaljerat beräkna interaktionen mellan strålningsmaterialet i solfotosfären. Fotosfären är det yttre skiktet där det mesta av solens ljus har sitt ursprung, och även där absorptionslinjerna är präglade på solspektrumet.
I denna studie spårade de alla kemiska element som
är relevanta för de nuvarande modellerna av hur stjärnor utvecklats över tid
och tillämpade flera oberoende metoder för att beskriva interaktionerna mellan
solens atomer och dess strålningsfält för att vara säkra på att resultatet var
konsekvent. För att beskriva de konvektiva regionerna i vår sol använde de
befintliga simuleringar som tar hänsyn till både plasmans rörelse och
strålningens fysik. konstaterade Magg.
De nya beräkningarna visade att förhållandet mellan överflödet av dessa avgörande kemiska element och styrkan hos motsvarande spektrallinjer skilde sig avsevärt från vad tidigare forskare hade sagt. Följaktligen är de kemiska överflöd som följer av det observerade solspektrumet något annorlunda än vad som anges i tidigare analyser.
"Vi fann att enligt vår analys innehåller solen 26 % mer element tyngre än helium än tidigare studier visat", förklarar Magg. I astronomi kallas sådana element tyngre än helium "metaller". Endast i storleksordningen en tusendels procent av alla atomkärnor i solen är metaller. Det är ett mycket litet antal som nu har förändrats till 26 % högre av sitt tidigare värde. Magg tillägger: "Värdet för syreöverflödet var nästan 15 % högre än i tidigare studier." De nya värdena är dock i god överensstämmelse med den kemiska sammansättningen i primitiva meteoriter ("CI-kondriter") som tros representera den kemiska sammansättningen av det mycket tidiga solsystemet.
När dessa nya värden används som indata för nuvarande modeller av solstruktur och evolution, försvinner den förbryllande skillnaden mellan resultaten av dessa modeller och helioseismiska mätningar vilket visas av Maggs och Bergemanns och dennes kollegors djupgående analys av hur spektrallinjer produceras.
Maria Bergemann säger: "De nya solmodellerna
baserade på vår nya kemiska sammansättning är mer realistiska än någonsin
tidigare: de producerar en modell av solen som överensstämmer med all
information vi har om solens nuvarande struktur - ljudvågor, neutriner,
ljusstyrka och solens radie - utan behov av icke-standardiserad, exotisk fysik
i solens inre."
Som en extra bonus är de nya modellerna lätta att
applicera även på andra stjärnor än solen.
Bild Solen som den såg ut 2013 i synligt ljus och
solfilter med solfläckar och randfördunkling. Bild vikipedia.
