6 juli 2022

Nieuwe berekeningen aan het zonnespectrum lossen oude controverse op rondom chemische samenstelling van de zon

Credit: M. Bergemann / MPIA / NARVAL@TBL

Er lijkt een eind gekomen te zijn aan een controverse die er meer dan tien jaar was en die draaide om de chemische samenstelling van de zon. Aan de ene kant waren er metingen aan de interne structuur, die gebaseerd waren op waarnemingen aan zonnebevingen, een tak van de sterrenkunde die de helioseismologie wordt genoemd, vergelijkbaar met de aardse seismologie, die dankzij waarnemingen aan aardbevingen meer inzicht geeft in de interne opbouw van de aarde. Aan de andere kant waren er de spectrale waarnemingen aan de zon, waarbij donkere lijnen in het spectrum van de zon (zoals hierboven te zien) inzicht geeft in de hoeveelheid elementen (abundantie) in de zon. De laatste tak van waarnemingen is al oud: het was William Wollaston die al in 1802 donkere lijnen in het spectrum van de zon ontdekte en sinds de jaren 1860′ weten we dankzij Gustav Kirchhoff en Robert Bunsen dat die lijnen geproduceerd worden door specifieke elementen. Dat leverde uiteindelijk een catalogus op die in 2009 werd gepubliceerd en die precies vertelde hoe de zon is opgebouwd en hoe z’n chemische samenstelling er precies uit ziet, een standaardmodel zoals het werd gezien. Echter, de resultaten die de helioseismologie lieten zien vertelden een ander verhaal, dat afweek van de resultaten van de spectrale waarnemingen, van dagt standaardmodel. Zo was er de grootte van de convectiezone, de mantel van de zon waar gassen omhoog richting oppervlakte en omlaag richting kern gaan, voortdurend van richting veranderend, zoals bubbels in kokend water (zie de afbeelding hieronder voor een impressie). In de helioseismologie is de convectiezone groter dan wat het standaardmodel ervan zegt. Ook is de geluidssnelheid in de onderste regionen van de convectiesnelheid volgens de helioseismologie anders dan de waarde die het standaardmodel voorspelt. Tenslotte was er een verschil in de hoeveelheid helium in de zon, die de twee waarnemingen aangeven. Kortom, een controverse tussen twee kampen, zoals we er in de sterrenkunde en natuurkunde meer kennen, ik noem geen namen.

Schematische voorstelling van het binnenste van de zon. Credit: Kelvinsong/CC BY-SA 3.0.

Maar hier is de controverse inmiddels opgelost, tenminste daar lijkt het op. In een recent onderzoek hebben Ekaterina Magg, Maria Bergemann en hun collega’s nog eens goed gekeken naar de spectrale waarnemingen aan de zon. Vroege spectrale studies waren allemaal gebaseerd op wat ze een ‘lokaal thermisch evenwicht’ (LTE) noemen, waarbij er vanuit gegaan wordt dat lokaal energie in elk gebied van de atmosfeer van een ster de tijd heeft om zich te verspreiden en een soort evenwicht te bereiken. Dit zou het mogelijk maken om aan elk van deze regio’s een temperatuur toe te kennen, wat tot een aanzienlijke vereenvoudiging van de berekeningen leidt. Maar dat beeld blijkt te eenvoudig te zijn en daarom zijn er niet-LTE modellen gekomen. De groep van Magg en Bergemann heeft nu die niet-LTE berekeningen toegepast op de atmosfeer van de zon, in het bijzonder op de wisselwerking tussen materie en straling in de fotosfeer van de zon, het zichtbare oppervlak van de zon, waar de spectrale lijnen ontstaan. Dat leidde er toe dat ze op een andere chemische samenstelling van de zon kwamen dan eerdere spectrale waarnemingen hadden laten zien: de zon blijkt 26% meer elementen zwaarder dan helium te bevatten dan eerdere studies hadden afgeleid, meer elementen zoals zuurstof, silicium en neon (en die ze in de sterrenkunde ‘metalen’ noemen, alles dat zwaarder is dan helium). Nou denk je wellicht: wow, wat een verschil opeens, 26% meer zware elementen, maar de zon bestaat voor het allergrootste deel uit waterstof en helium, minder dan een duizendste van een procent zijn die zware elementen en in dat getal is een verschuiving van abundantie berekend. De nieuwe waarden zijn ook in overeenstemming met de chemische samenstelling van primitieve meteorieten, de zogeheten CI chondriten, welke stammen uit de oertijd van het zonnestelsel. Dankzij de nieuwe gevonden abundanties van de elementen in de zon is de controverse opgelost. De berekeningen kunnen ook worden toegepast op andere sterren, zodat ook daarvan nu beter bekend is hoe hun evolutie verloopt. Hier het vakartikel over de chemische samenstelling van de zon, verschenen in Astronomy & Astrophysics. Bron: Phys.org.

Speak Your Mind

*

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: