Megoldódott a Nap összetételének rejtélye

Több mint egy évtizede komoly fejtörést okozott a tudománynak, hogy a csillagok összetételét elemző régi jó tudományos módszer és a Nap belső szerkezetének újabb elemzése ellentmondó eredményre jutottak a Nap pontos kémiai összetételéről. Ezt a krízist oldotta meg most a Max Planck Intézet két csillagásza, Ekaterina Magg és Maria Bergemann.

Az új számítások szerint csillagunk a korábban becsültnél több oxigént, szilíciumot és neont tartalmaz. Az új módszer nemcsak a Nap, hanem más csillagok esetében is pontosabb megállapításokat tesz lehetővé.

A gravitáció szivárványa

A csillagok összetétele megismerésének klasszikus módszere a színképelemzés. Először 1802-ben vette észre William Wollaston, hogy ha egy csillag fényét összetevőkre bontja, különös fekete vonalakat lát a megjelenő szivárványban. A jelenséget Joseph von Fraunhofer 1814-ben fedezte fel újból. 1860-ra Gustav Kirchhoff fizikus és Robert Bunsen kémikus dolgozta ki a színképelemzés, vagyis a spektroszkópia módszerét az anyag összetételének elemzésére. 1920-tól Meghnad Saha indiai asztrofizikus használta csillagok modellezésére, így tudtuk meg, hogy a csillagok általában hidrogénből és héliumból állnak, és nehezebb elemeket csak nyomokban tartalmaznak.

A színképelemzés az idők során csillagászati ismereteink meglehetősen központi elemévé vált a világegyetem kialakulásától a csillagok evolúciójáig és az exobolygókig, ezért különösen sokkoló volt, amikor ellentmondásba került egy 2009-ben publikált napfizikai modellel. Ez a Nap oszcillációiból vagy rendszeres rengéseiből származó helioszeizmikus adatok alapján írta le a csillag belső szerkezetét, ahogy a geológusok leírják a földrengések hullámainak terjedése alapján a Föld belsejét.

Az új modell szerint a konvektív régió, ahol az anyag emelkedik és süllyed, jóval kiterjedtebb a korábban feltételezettnél, nem stimmelt a hullámok sebessége ennek a régiónak az alján, a hélium mennyisége, sőt a Nap magjából származó neutrínók mennyisége sem. A probléma megoldására több javaslat is született, például az, hogy a Nap energiáját részben sötét anyag továbbítja.

Új szintre emelt spektrálanalízis

Magg és Bergemann a színképelemzési modell átdolgozásával oldották fel az ellentmondást. A korai számítások leegyszerűsítőek voltak, és úgy írták le egy csillag atmoszféráját, mintha egy egyensúlyi állapotban lenne, amihez hozzárendelhető egy spektrum. Az 50-es évektől ezt váltották az úgynevezett non-LTE-számítások, amelyek részletesen leírják az energia mozgásának rendszerét.

A fotoszféra a Nap külső rétege, ahonnan a fénye is származik, amelyet elemeznek. Bergemann ennek a régiónak a pontos működését számította ki non-LTE módszerrel. Figyelembe vették a plazma konvekcióját és a sugárzást, és statisztikailag elemezték az eredmények pontosságát. Az új modellben a nehezebb elemek bősége eltért attól, amit a spektrális vonalak jeleztek.

Kiderült, hogy a Nap 26 százalékkal több, héliumnál nehezebb elemet tartalmaz, mint amire a korábbi tanulmányok következtettek. Az oxigén bősége 15 százalékkal több a korábbi tanulmányokban becsültnél

– mutatott rá Magg.

A Nap tömegének durván 73,46 százaléka hidrogén, 24,85 százaléka hélium, minden más összesen kevesebb mint 2 százalék. A leggyakoribb az oxigén, míg a többi elem a század- vagy ezredszázalékos arányban van jelen. 

Az új eredményeket az is alátámasztja, amit a primitív meteoritok a korai Naprendszerről elárulnak.

Magg és Bergemann részletes modellje végeredményben nemcsak az aggasztó ellentmondást oldotta fel, de feleslegessé tette a korábban bedobott egzotikus fizikai ötleteket is, és szilárdabb alapra helyezte a csillagok összetételének elemzését is.

(Phys.org)

(Borítókép: NASA / SDO)