ПопулярнеРедакціяСвіже
КращеОбговорюване

Химический состав Солнца до сих пор вызывает вопросы

Этот текст также доступен на русском языке
3

В течение двух десятилетий астрономы спорили о составе ближайшей к Земле звезды. Из какого количества углерода, азота и особенно кислорода она состоит? Последствия этой дискуссии могут повлиять на наше понимание Вселенной.

Это изображение Солнца было получено Обсерваторией солнечной динамики NASA (SDO). Точный химический состав нашего светила по-прежнему является предметом споров среди астрономов.

Когда астрономы нацеливают свои телескопы в глубины космоса, их не покидает чувство тревоги: они не знают точно, из чего состоит наша Вселенная.

Ускользает от них не только истинная природа тёмного вещества, но также и сущность звёзд, которые усеивают небо и множество галактик по всему космосу. Удивительно, но никто не знает их точного химического состава: сколько у них атомов углерода, азота и кислорода по сравнению с водородом, который является наиболее распространенным элементом.

Эти величины имеют решающее значение, потому что они влияют на то, как звёзды живут и умирают, какие типы планет образуются в их непосредственной близости и даже на формирование жизни в других мирах.

Двадцать лет назад астрономы были уверены в переменных, с которыми они работали. Времена изменились. И дело не в дальних уголках космоса: у нас нет даже точного понимания объектов, расположенных гораздо ближе к нашему дому. Кажется странным, но учёные точно не знают, из чего состоит наше Солнце. Уж тем более, у них нет достоверных данных о составе других звёзд.

Хотя процент содержания кислорода в химическом составе Солнца является предметом для дискуссий, никто не оспаривает, что звёзды — намного более массивные, чем наше светило и похожие на своих самых ярких собратьев, которые сейчас рождаются в туманности Ориона (на фото) — сформировали большую часть кислорода на Земле и во всей Вселенной.

«Солнце это основа основ, говорит Мартин Асплунд, учёный из Института астрофизики Макса Планка в Гархинге, Германия. – Когда мы рассчитываем содержание определённого элемента в составе звезды, галактики или газового облака где-нибудь во Вселенной, мы используем Солнце как точку отсчёта».

И в этом есть смысл. Наше светило составляет 99,86% массы Солнечной системы. Любой социолог, который опросил бы такой же процент избирателей, не имел бы проблем с предсказанием исхода следующих выборов.

Расположение Солнца во Млечном Пути также делает его хорошим эталоном для всей галактики. Точно так же, как политические взгляды меняются от городской застройки к сельской местности, так и количество звёзд варьируется от центра галактики к её краю. И Солнце имеет идеальное местоположение для создания качественной выборки примерно посередине от центра Млечного Пути до края его диска.

Кроме того, большинство звёзд во Вселенной располагаются в гигантских галактиках, таких как Млечный Путь, что делает наше светило краеугольным камнем для всего космоса. К тому же, оно настолько яркое, что астрономы могут изучать излучаемый им свет с исключительной точностью. Это позволяет им определить процентное соотношение химических элементов Солнца.

В течение почти столетия астрономы классифицировали звёзды как «нормальные», если их химический состав соответствовал солнечному. Большинство звёзд неподалёку от нас именно такие, но есть и исключения.

Вот почему статья Асплунда и его коллег о химическом составе Солнца в Ежегодном обзоре астрономии и астрофизики за 2009-й год (речь о журнале — прим.ред.) была процитирована различными учёными более четырёх тысяч раз: астрономы постоянно сравнивают звёзды и галактики с Солнцем. Это универсальный стандарт.

Но работа Асплунда вызвала споры. Он и его коллеги использовали новые модели для анализа солнечного света и (если проводить сравнение с предыдущими расчётами) обнаружили значительно более низкие уровни самых распространённых тяжёлых элементов в составе Солнца, включая углерод и кислород (астрономы называют «тяжёлыми» любые элементы тяжелее гелия.) Таким образом, работа Асплунда подразумевает, что другие звёзды и весь космос имеют гораздо меньшее количество тяжёлых элементов, чем считалось ранее.

Сколько же кислорода, углерода, неона и азота, этих четырёх наиболее распространенных тяжёлых элементов, содержит Солнце? На диаграмме показано относительное количество десятков элементов (синие точки отмечены как наиболее распространенные вещества), выраженное в логарифмической шкале, где количество атомов водорода установлено равным 12. (Элемент, содержание которого оценено в 11 баллов, составляет одну десятую от общего количества водорода. Если оценка равна 10, это одна сотая от его общего количества и т. д.) В 1989-м году стандартное содержание кислорода составляло 8,93, что означало, что на каждый атом кислорода приходилось 1175 атомов водорода. Однако в 2009-м году Мартин Асплунд понизил его расчётное содержание до 8,69, и как следствие, на каждый атом кислорода теперь приходится 2042 атома водорода. По приблизительным оценкам, содержание углерода, азота и неона также упало.

Расмотрим кислород. «Это самый распространенный тяжёлый элемент во Вселенной», говорит Марк Пинсонно, астроном из Университета штата Огайо. Он раскритиковал полученные Асплундом значения, потому что они противоречат наблюдениям за внутренней структурой Солнца.

«Солнце это один из очень и очень немногих способов измерения количества кислорода, которые у нас есть. Так что, если Асплунд прав… это означает, что во вселенной на сорок процентов меньше кислорода, потому что все наши расчёты базируются на тех значениях, которые мы приписываем нашей звезде», говорит Пинсонно.

Противостояние длилось двадцать лет, и ни одна из сторон не хотела уступить другой. «Мы всё ещё не нашли ответа», говорит Катарина Лоддерс, космохимик из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, занимающаяся оценкой химического состава метеоритов. Её сильно расстраивает эта непрекращающаяся дискуссия. «Я думаю, что вопрос “Что мы упускаем?“ одна из самых больших проблем для учёных. Как может быть такое, что есть что-то, что мы не можем объяснить? Должен быть ответ».

Низкий уровень кислорода и других тяжёлых элементов, который рассчитал Асплунд, вызвал не только неопределенности, но и проблемы. «Я почти сразу заподозрил, что всё это приведет к конфликту», говорит он.

И все же и Асплунд, и Пинсонно говорят, что дискуссия носит исключительно дружеский характер. «Мы категорически не можем согласиться друг с другом по поводу научной интерпретации полученных данных, говорит Асплунд, но мы всегда рады пойти выпить пива после подобных споров».

К счастью, различные научные эксперименты, как проводящиеся сейчас, так и запланированные на будущее, помогут, наконец, решить эту проблему.

Кислород как важнейший элемент

Несмотря на существующие разногласия, все учёные сходятся в основных тезисах: Солнце состоит в основном из водорода и гелия, двух самых лёгких элементов. Оно генерирует энергию в своей сердцевине посредством ядерных реакций, которые превращают водород в гелий. Но вот количество следующих по распространённости элементов является спорным из-за исследования Асплунда.

Это действительно важный вопрос. Кислород составляет почти половину всех тяжёлых атомов во Вселенной. Большинство этих атомов порождают звёзды намного более массивные, чем Солнце. В конце своей яркой, но короткой жизни, эти звёзды объединяют четыре ядра гелия для получения кислорода. В конце концов они взрываются, распространяя по космосу первичные химические элементы. Всего одна сверхновая звезда может выбросить такое количество кислорода, что его масса будет превышать массу нашего светила. Если уровень кислорода на Солнце и, следовательно, во всей Вселенной настолько низок, как полагает Асплунд, эти массивные звёзды, его генерирующие, были гораздо менее «плодовитыми», чем считалось ранее.
Почти половина всех тяжёлых атомов во Вселенной — это кислород (если судить по количеству атомов, а не по массе). И всего четыре элемента — кислород, углерод, неон и азот — составляют 88 процентов всех тяжёлых атомов, хотя их точное количество относительно водорода все ещё является спорной величиной.

Кислород жизненно важен во всех смыслах. Самое очевидное: он нам нужен, чтобы дышать. Но это далеко не полный список его применений: к примеру, более половины атомов в породах под нашими ногами это кислород. И этот элемент сыграл действительно важную роль в формировании всех планет Солнечной системы.Важность кислорода на этом не заканчивается. В конце концов, в каждой молекуле воды есть его атом. А вода выступает в качестве важнейшего элемента формирования и поддержания жизни. Так что без кислорода, не будет ни воды, ни жизни.

Своенравное Солнце

Горячие споры по поводу изобилия кислорода и других тяжёлых элементов в составе Солнца начались совершенно случайно. В конце 1990-х годов Асплунд хотел подробнее изучить древние звёзды, которые содержали очень мало подобных элементов. Однако сначала он счёл целесообразным выяснить состав нашего светила чуточку получше.

Для этого он и его коллеги разработали новые модели, анализирующие солнечный спектр радугу цветов, которую испускает наша звезда. Атомы разных элементов поглощают свет волн различной длины, создавая так называемые спектральные линии. Чем больше атомов определённого элемента существует на поверхности Солнца, тем больше света они поглощают и тем более выражены вышеобозначенные линии. Таким образом, эти атомы способны показать относительное содержание элемента по сравнению с водородом, который является основным «ингредиентом» нашего светила.

Поскольку Солнце считается точкой отсчёта, учёные могут образно видеть всю Вселенную в одном его луче: анализируя солнечный спектр, они могут определить пропорции водорода, углерода, азота и кислорода во всём космосе.Новые модели Асплунда были намного сложнее работ его предшественников, и в них не допускались упрощения и приближения. «Я не ожидал, что это вообще изменит соотношение элементов в составе Солнца, говорит он. – Это произошло совершенно случайно».

Солнечный спектр (показанный на изображении) можно проанализировать и выявить ключ к разгадке состава Солнца. Атомы на его поверхности поглощают определённые цвета, оставляя тёмные спектральные линии в наблюдаемом диапазоне. Именно они и говорят о пропорциях этого элемента в составе нашего светила. Линии H и K тёмно-фиолетового цвета возникают из-за кальция; пара жёлто-оранжевых D-линий от натрия; и красная линия C от водорода. Однако, спектральные линии кислорода трудно анализировать.

В его моделях каждый из четырёх самых распространённых тяжёлых элементов во Вселенной «потерял в весе». По сравнению с цифрами, опубликованными двадцатью годами ранее, в статье Асплунда и его коллег за 2009-й год рекомендовалось резко снизить количественную оценку этих элементов. Новые модели понизили предполагаемый уровень кислорода в составе Солнца (и, следовательно, во всей Вселенной) на целых 42 процента. Углерод – ещё один химический элемент, необходимый для формирования жизниснизился на 26 процентов, в то время как уровни неона и азота упали на 31 и 40 процентов соответственно.

По всем расчётам, эти четыре элемента составляют подавляющее большинство (88 процентов в работе Асплунда, в других исследованиях немного больше) всех тяжёлых атомов во Вселенной. И если Асплунд был прав, их количество значительно меньше, чем кто-либо думал. А это означало огромные проблемы для моделей, описывающих внутреннее строение нашего светила.

Внутреннее строение Солнца

Тяжёлые элементы влияют на внутреннюю структуру Солнца, потому что они поглощают излучение, перемещающееся наружу от солнечного ядра к поверхности. Астрономы полагали, что с помощью метода, известного как гелиосейсмология, они смогли разобраться в строении нашего светила на основе старых данных о солнечной активности. Как в нашем мире бывают землетрясения, так и внутреннее пространство Солнца вибрирует, издавая звуковые волны. И также, как сейсмологи используют подземные толчки для определения строения недр Земли, так и вибрации внутри Солнца раскрывают его внутреннюю структуру.

Например, в большей части внутренностей нашего светила излучение отражается от атома к атому, медленно унося тепло от ядра наружу. Однако в самых отдаленных от поверхности участках Солнца материал более холодный и непрозрачный, в основном потому, что тяжёлые элементы поглощают фотоны. Эта непрозрачность означает, что фотоны не могут переносить туда тепло. Вместо этого начинается процесс, называемый конвекцией: горячий газ поднимается к поверхности Солнца, излучает тепло, затем охлаждается и снова опускается вниз. Нечто подобное вы видите, когда кипятите кастрюлю с водой.Гелиосейсмология точно определяет положение границы между лучистой внутренней частью Солнца и его конвективной оболочкой. «Это проявляется как сбой в звуковых волнах», говорит Пинсонно. В результате мы знаем, что эта граница проходит ровно по отметке в 71,3 процента радиуса Солнца. Но если у нашего светила действительно меньше кислорода, углерода, неона и азота, тогда внутренняя его часть будет более прозрачной, позволяя излучению переносить тепло дальше от центра, что противоречит гелиосейсмологическим наблюдениям. «Либо мы не понимаем Солнце, либо новый его химический состав ошибочен», сказал Пинсонно в своём выступлении в 2011-м году, в котором он ратовал за более высокое содержание кислорода.

Ядерные реакции в солнечном ядре производят энергию, которая затем переносится наружу за счёт излучения, а затем и за счёт конвекции. Положение границы между зоной лучистого переноса и конвективной зоной установлено с помощью гелиосейсмологических наблюдений. Предыдущие расчёты содержания химических элементов в составе Солнца помещают эту границу точно в положение, подтверждаемое многочисленными наблюдениями, а вот новые вычисления на основе исследований Асплунда – нет.

Тем не менее, Пинсонно признаёт, что новые модели, разработанные Асплундом, превосходят предыдущие, и их перераспределение содержания химических элементов в составе Солнца должно быть обоснованным. Во-первых, в моделях Асплунда учитывается конвекция, которой ранее пренебрегали. Его команда также установила, что красная спектральная линия, которая предположительно появилась из-за кислорода, на самом деле представляет собой смесь кислорода и никеля. Вычитание вклада никеля привело к снижению содержания кислорода.

Большая часть проблемы проистекает из структуры самого атома кислорода. «Это действительно крепкий орешек, говорит Пинсонно. – И он всегда был таковым».

Несмотря на то, что кислород является вполне обыденным веществом, он даёт несколько спектральных линий в солнечном спектре, которые трудно анализировать, поэтому этот элемент оставляет мало зацепок для определения его количества. «С другой стороны, все согласны с содержанием железа в нашем светиле», говорит Пинсонно. Это потому, что железо даёт множество спектральных линий, отлично подходящих для анализа.

Как и Лоддерс, Пинсонно весьма разочарован этой непрекращающейся дискуссией. «Было на удивление сложно добыть новую информацию для разрешения противоречия, говорит он. – Нам просто нужны новые данные, чтобы, наконец, разрубить этот гордиев узел».

Что-то новое под Солнцем

К счастью, скоро появятся свежие данные. Физики могут измерять непрозрачность различных элементов в лаборатории, подвергая их воздействию высоких температур, преобладающих внутри Солнца. В последние годы учёные начали проводить подобные эксперименты, используя ещё более высокие температуры такие, чтобы исследовать процессы, протекающие глубоко под поверхностью Солнца, на границе лучистой и конвекционной зон, а также в плазме, достаточно большой и стабильной для получения точных значений.

В 2015-м году Джим Бейли, физик-экспериментатор из Национальных лабораторий Сандия, и его коллеги сообщили, что прозрачность железа на Солнце действительно ниже, чем ожидалось. «Наш результат порадовал астрономическое сообщество, говорит он, потому что это означает, что есть, по крайней мере, надежда, что учёные смогут согласовать соотношение химических элементов в нашем светиле со стандартной солнечной моделью и гелиосейсмологией».

Сейчас Бейли обратил своё внимание на содержание кислорода в составе нашей звезды и ожидает первые результаты своих изысканий уже через три года. Если кислород окажется менее прозрачным, чем рассчитано в настоящее время, то Солнцу не нужно такое его количество, чтобы поддерживать наблюдаемое положение границы лучистой и конвекционной зон. Это могло бы устранить несоответствие между соотношением химических элементов в нашем светиле, рассчитанным Асплундом, и гелиосейсмологией.

Между тем и Асплунд, и Пинсонно работают над ещё одним многообещающим проектом. Когда солнечное ядро вырабатывает энергию, оно испускает нейтрино, призрачные частицы, которые разлетаются во все стороны и достигают Земли примерно через восемь минут. Текущие исследования этих нейтрино должны в потенциале дать новый способ оценки соотношения химических элементов. Это потому, что некоторые нейтрино возникают в процессе, в котором углерод, азот и кислород используются в качестве катализаторов для превращения водорода в гелий.

Этот CNO (углерод-азот-кислородный) цикл генерирует только около одного процента энергии Солнца, но чем больше углерода, азота и кислорода действительно есть у нашего светила, тем больше должно существовать этих CNO нейтрино. Шесть лет назад физики провели в Италии эксперимент, для обнаружения нейтрино как продукта основной ядерной реакции Солнца, получивший название Borexino. На этой неделе исследователи, занимающиеся анализом полученных данных, объявили, что в этом же эксперименте были обнаружены CNO нейтрино. А значит это только вопрос времени, когда они помогут раскрыть химический состав нашего светила.

Цикл CNO генерирует только один процент солнечной энергии, но когда-нибудь сможет продемонстрировать, сколько углерода, азота и кислорода содержит Солнце. В этом сложном цикле ядра углерода, азота и кислорода катализируют ядерную реакцию для превращения водорода в гелий, но не расходуются в процессе. Цикл CNO превращает четыре протона в одно ядро гелия, создавая энергию и испуская два нейтрино (пурпурного цвета). Физики недавно объявили, что им впервые удалось обнаружить этот тип нейтрино.

Окончательный вердикт?

Лоддерс считает, что есть ещё один повод для надежды. Когда-то давно астрономы спорили об изобилии космического железа: анализ солнечного спектра показал другие цифры по содержанию этого элемента, отличные от тех, которые были получены при исследовании метеоритов. «Долгое время это оставалось большой загадкой», говорит она. Дебаты закончились, когда астрономы использовали недавно измеренные атомные параметры железа и пересмотрели свои расчёты его содержанию в составе Солнца, тем самым подтвердив изначальные вычисления по метеоритам.

Асплунд ожидает, что продолжающиеся эксперименты по непрозрачности элементов и поиску нейтрино разрешат этот затянувшийся спор.

«В споре я бы не поставил на это свой дом, говорит он, но буду очень разочарован, если мы не найдём ответ на волнующий нас вопрос в течении десяти лет».

Эта статья была написана Кеном Кросвеллом 15 июля 2020 года и опубликована на сайте Astronomy.com. Источник.

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.

34

Друзі, цей матеріал було написано редакцією Альфа Центавра.


Ми завжди спиралися насамперед на власну аудиторію. Якщо вам подобається те, що ми робимо, якщо ви поділяєте наші цінності та готові підтримати наш проєкт матеріально на будь-яку суму, ми будемо неймовірно раді такій підтримці. Всі способи відправити нам донат можна знайти на цій сторінці, проте найзручнішими для нас і вас є сервіси Patreon, Buy Me a Coffee та пожертва в системі PayPal.


Сайт Alpha Centauri завжди залишиться куточком комфорту для любителів космосу. Наші та ваші зусилля дозволять нам усім стати ближчими до зірок.

Павло Поцелуєв, керівник АЦ.


Увійдіть, щоб читати ще 6 коментарів, брати участь в обговореннях та не бачити рекламу.
Марнотратний Спок
Вечность назад

Ого дякую круто розгорнуто

Кричущий Майор Том
Вечность назад

Замечательная статья! Спасибо камраду Arthur Lebedev за одновременно грамотный и читабельный перевод. :)

Корисна Лілу
Вечность назад

Исправил проблему с доступом к закрытым материалам у авторов из ТОП-100 рейтинга. Если у вас раньше наблюдались проблемы, а сейчас всё сработало, отметьтесь, пожалуйста. Точно пам'ятаю про Яків Бриль, тепер має працювати :)

Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Повідомити про помилку

Текст, який буде надіслано нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зареєструйтесь на сайті щоб не бачити рекламу, створювати та відслідковувати теми, зберігати статті в особисті закладки і брати участь в обговореннях
Якщо не виходить увійти тут, спробуйте за посиланням.