14:15 2022-05-23
science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu
_ Noile calcule ale spectrului solar rezolvă controversa de un deceniu cu privire la compoziția chimică a soarelui
_ Noi calcule de solar spectrul rezolvă controversele de un deceniu despre compoziția chimică a soarelui
Ce faci atunci când o metodă încercată și adevărată de determinare a compoziției chimice a soarelui pare să fie în contradicție cu o tehnică inovatoare și precisă de cartografiere a structura interioară a soarelui? Aceasta a fost situația cu care se confruntă astronomii care studiau soarele – până la noi calcule care au fost publicate acum de Ekaterina Magg, Maria Bergemann și colegii săi și care rezolvă aparenta contradicție.
Criza abundenței solare de un deceniu este conflict între structura internă a soarelui determinată din oscilațiile solare (helioseismologie) și structura derivată din teoria fundamentală a evoluției stelare, care, la rândul său, se bazează pe măsurători ale compoziției chimice a soarelui de astăzi. Noile calcule ale fizicii atmosferei soarelui dau rezultate actualizate pentru abundențe de diferite elemente chimice, care rezolvă conflictul. În special, soarele conține mai mult oxigen, siliciu și neon decât se credea anterior. Metodele folosite promit, de asemenea, estimări considerabil mai precise ale compozițiilor chimice ale stelelor în general.
Astrochimia folosind spectre
Metoda încercată și adevărată în cauză este analiza spectrală. Pentru a determina compoziția chimică a soarelui nostru sau a oricărei alte stele de acolo, astronomii apelează în mod obișnuit la spectre: descompunerea luminii asemănătoare curcubeului în lungimi de undă diferite. Spectrele stelare conțin linii întunecate vizibile, ascuțite, observate pentru prima dată de William Wollaston în 1802, redescoperite de Joseph von Fraunhofer în 1814 și identificate ca semne revelatoare care indică prezența unor elemente chimice specifice de către Gustav Kirchhoff și Robert Bunsen în anii 1860.
Lucrările de pionierat ale astrofizicianului indian Meghnad Saha în 1920 au legat puterea acelor „linii de absorbție” cu temperatura stelară și compoziția chimică, oferind baza modelelor noastre fizice ale stelelor. Realizarea Ceciliei Payne-Gaposchkin că stelele precum soarele nostru constau în principal din hidrogen și heliu, cu doar urme de elemente chimice mai grele, se bazează pe această muncă.
Oscilații solare care spun o poveste diferită
p>Calculele care stau la baza legate de caracteristicile spectrale cu compoziția chimică și fizica plasmei stelare au fost de o importanță crucială pentru astrofizică de atunci. Ele au fost fundamentul unui progres de un secol în înțelegerea noastră a evoluției chimice a universului, precum și a structurii fizice și a evoluției stelelor și exoplanetelor. Acesta este motivul pentru care a fost un șoc când, pe măsură ce noi date observaționale au devenit disponibile și au oferit o perspectivă asupra funcționării interioare a soarelui nostru, diferitele piese ale puzzle-ului aparent nu se potriveau împreună.
The modelul standard modern al evoluției solare este calibrat folosind un set celebru (în cercurile de fizică solară) de măsurători ale compoziției chimice a atmosferei solare, publicat în 2009. Dar, într-o serie de detalii importante, o reconstrucție a structurii interioare a stelei noastre preferate, bazată pe aceasta. modelul standard contrazice un alt set de măsurători: datele helioseismice, adică măsurători care urmăresc foarte precis oscilațiile minuscule ale soarelui în ansamblu – felul în care soarele se extinde și se contractă ritmic în modele caracteristice, pe scale de timp între secunde și ore.
La fel cum undele seismice oferă geologilor informații esențiale despre interiorul Pământului, sau cum sunetul unui clopot codifică informații despre forma și materialul acestuia. perties, helioseismologia oferă informații despre interiorul soarelui.
Criza abundențelor solare
Măsurătorile helioseismice foarte precise au dat rezultate cu privire la structura interioară a soarelui, care erau în contradicție cu modelele standard solare. Conform heliosismologiei, așa-numita regiune convectivă din soarele nostru, unde materia se ridică și se scufundă din nou, ca apa într-o oală în clocot, a fost considerabil mai mare decât a prezis modelul standard. Viteza undelor sonore din partea de jos a acelei regiuni a deviat, de asemenea, de la predicțiile modelului standard, la fel ca și cantitatea totală de heliu din soare. În plus, anumite măsurători ale neutrinilor solari — particule elementare trecătoare, greu de detectat, care ajung la noi direct din regiunile centrale ale soarelui — au fost, de asemenea, ușor defectuoase în comparație cu datele experimentale.
Astronomii au avut ceea ce au avut. Curând a ajuns să numească o „criză a abundenței solare”, iar în căutarea unei ieșiri, unele propuneri au variat de la neobișnuit la de-a dreptul exotic. Soarele a acumulat poate un gaz sărac în metal în timpul fazei sale de formare a planetei? Energia este transportată de particulele de materie întunecată care nu interacționează?
Calcule dincolo de echilibrul termic local
Noul studiu publicat de Ekaterina Magg, Maria Bergemann și colegii a reușit să rezolve acest lucru criză, prin revizuirea modelelor pe care se bazează estimările spectrale ale compoziției chimice a soarelui. Studiile timpurii despre cum sunt produse spectrele stelelor s-au bazat pe ceva cunoscut sub numele de echilibru termic local. Ei au presupus că la nivel local, energia din fiecare regiune a atmosferei unei stele are timp să se răspândească și să atingă un fel de echilibru. Acest lucru ar face posibilă atribuirea fiecărei astfel de regiuni a unei temperaturi, ceea ce duce la o simplificare considerabilă a calculelor.
Dar încă din anii 1950, astronomii și-au dat seama că această imagine era suprasimplificată. De atunci, tot mai multe studii au încorporat așa-numitele calcule Non-LTE, renunțând la ipoteza echilibrului local. Calculele non-LTE includ o descriere detaliată a modului în care energia este schimbată în cadrul sistemului - atomii sunt excitați de fotoni sau se ciocnesc, fotonii sunt emiși, absorbiți sau împrăștiați. În atmosferele stelare, unde densitățile sunt mult prea scăzute pentru a permite sistemului să atingă echilibrul termic, acest tip de atenție la detalii dă roade. Acolo, calculele Non-LTE dau rezultate care sunt semnificativ diferite de omologii lor de echilibru local.
Aplicarea Non-LTE la fotosfera solară
Grupul Mariei Bergemann de la Institutul Max Planck pentru Astronomia este unul dintre liderii mondiali când vine vorba de aplicarea calculelor Non-LTE în atmosferele stelare. Ca parte a lucrării ei de doctorat. în acel grup, Ekaterina Magg și-a propus să calculeze mai detaliat interacțiunea materiei radiații în fotosfera solară. Fotosfera este stratul exterior de unde provine cea mai mare parte a luminii soarelui și, de asemenea, de unde liniile de absorbție sunt imprimate pe spectrul solar.
În acest studiu au urmărit toate elementele chimice care sunt relevante pentru modelele actuale de modul în care au evoluat stelele de-a lungul timpului și a aplicat mai multe metode independente pentru a descrie interacțiunile dintre atomii soarelui și câmpul său de radiații pentru a se asigura că rezultatele lor sunt consistente. Pentru a descrie regiunile convective ale soarelui nostru, au folosit simulări existente care iau în considerare atât mișcarea plasmei, cât și fizica radiațiilor ("STAGGER" și "CO5BOLD"). Pentru compararea cu măsurătorile spectrale, ei au ales setul de date cu cea mai înaltă calitate disponibilă: spectrul solar publicat de Institutul de Astro- și Geofizică, Universitatea din Göttingen. „Ne-am concentrat, de asemenea, pe analiza efectelor statistice și sistematice care ar putea limita acuratețea rezultatelor”, notează Magg.
Un soare cu mai mult oxigen și elemente mai grele.
Noile calcule au arătat că relația dintre abundența acestor elemente chimice cruciale și puterea liniilor spectrale corespunzătoare a fost semnificativ diferită de ceea ce pretindeau autorii anteriori. În consecință, abundența chimică care decurge din spectrul solar observat este oarecum diferită de cea afirmată în analiza anterioară.
„Am descoperit că, conform analizei noastre, soarele conține cu 26% mai multe elemente mai grele decât heliul decât studiile anterioare. dedusese", explică Magg. În astronomie, astfel de elemente mai grele decât heliul sunt numite „metale”. Doar de ordinul a o miime de procent din toate nucleele atomice din soare sunt metale; acest număr foarte mic s-a schimbat acum cu 26% din valoarea sa anterioară. Magg adaugă: „Valoarea abundenței de oxigen a fost cu aproape 15% mai mare decât în studiile anterioare”. Noile valori sunt, totuși, în acord cu compoziția chimică a meteoriților primitivi ("condrite CI") despre care se crede că reprezintă alcătuirea chimică a sistemului solar foarte timpuriu.
Criza rezolvată< /p>
Atunci când acele noi valori sunt folosite ca intrare pentru modelele actuale de structură și evoluție solară, discrepanța uluitoare dintre rezultatele acelor modele și măsurătorile helioseismice dispare. Analiza aprofundată realizată de Magg, Bergemann și colegii lor a modului în care sunt produse liniile spectrale, bazată pe modele mult mai complete ale fizicii de bază, reușește să rezolve criza abundenței solare.
Maria Bergemann spune : „Noile modele solare bazate pe noua noastră compoziție chimică sunt mai realiste decât oricând: produc un model al soarelui care este în concordanță cu toate informațiile pe care le avem despre structura actuală a soarelui – unde sonore, neutrini, luminozitate, și raza soarelui — fără a fi nevoie de o fizică exotică non-standard în interiorul solar.”
Ca un bonus suplimentar, noile modele sunt ușor de aplicat altor stele decât soarele. Într-o perioadă în care studiile pe scară largă, cum ar fi SDSS-V și 4MOST, oferă spectre de înaltă calitate pentru un număr tot mai mare de stele, acest tip de progres este într-adevăr valoros - punând analize viitoare ale chimiei stelare, cu implicațiile lor mai largi pentru reconstrucțiile evoluția chimică a cosmosului nostru, pe o bază mai fermă decât oricând înainte.
Studiul, „Constrângeri observaționale asupra originii elementelor. IV: Compoziția standard a soarelui”, este publicat în jurnal. Astronomie și astrofizică.
Comentarii:
Adauga Comentariu