Από τι είναι φτιαγμένος ο ήλιος και πότε θα πεθάνει;

Όπως κάθε αστέρι στην ακμή του, ο ήλιος αποτελείται κυρίως από άτομα υδρογόνου που συντήκονται δύο προς δύο σε ήλιο, απελευθερώνοντας τεράστια ενέργεια στη διαδικασία. Αλλά είναι η μικροσκοπική συγκέντρωση βαρύτερων στοιχείων του ήλιου, που οι αστρονόμοι αποκαλούν μέταλλα, που ελέγχει τη μοίρα του. «Ακόμα και ένα πολύ μικρό κλάσμα μετάλλων είναι αρκετό για να αλλάξει εντελώς τη συμπεριφορά ενός αστεριού», εξήγησε ο Sunny Vagnozzi, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Στοκχόλμης στη Σουηδία που μελετά τη «μεταλλικότητα» του ήλιου. Όσο πιο μεταλλικό είναι ένα αστέρι, τόσο πιο αδιαφανές είναι (καθώς τα μέταλλα απορροφούν την ακτινοβολία) και το πόσο αδιαφανές είναι με τη σειρά του σχετίζεται με το μέγεθος, τη θερμοκρασία, τη φωτεινότητα, τη διάρκεια ζωής του και άλλες βασικές ιδιότητες. "Η μεταλλικότητα βασικά σας λέει επίσης πώς θα πεθάνει το αστέρι", είπε ο Vagnozzi.

Αλλά η μεταλλικότητα του ήλιου, πέρα ​​από την αποκάλυψη της δικής του ιστορίας, χρησιμεύει επίσης ως ένα είδος κριτηρίου για τη βαθμονόμηση των μετρήσεων της μεταλλικότητας όλων των άλλων άστρων, και επομένως των ηλικιών, των θερμοκρασιών και άλλων ιδιοτήτων των άστρων, των γαλαξιών και οτιδήποτε άλλο. «Αν αλλάξουμε το ηλιακό μέτρο, αυτόματα σημαίνει ότι η κατανόησή μας για το σύμπαν πρέπει να αλλάξει», δήλωσε ο Martin Asplund, αστροφυσικός στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Αυστραλίας. "Έτσι, η ακριβής γνώση της ηλιακής χημικής σύνθεσης είναι εξαιρετικά σημαντική."

Ωστόσο, όλο και πιο ακριβείς μετρήσεις της μεταλλικότητας του ήλιου έχουν εγείρει περισσότερα ερωτήματα από όσα έχουν απαντήσει. Η αδυναμία των αστρονόμων να λύσουν το μυστήριο που είναι γνωστό ποικιλοτρόπως ως ηλιακή μεταλλικότητα, ηλιακή αφθονία, ηλιακή σύνθεση ή πρόβλημα ηλιακής μοντελοποίησης υποδηλώνει ότι μπορεί να υπάρχει «κάτι θεμελιωδώς λάθος» με την κατανόησή τους για τον ήλιο και επομένως για όλα τα αστέρια, είπε ο Vagnozzi. "Θα ήταν τεράστιο."

Πριν από είκοσι χρόνια, οι αστρονόμοι νόμιζαν ότι είχαν ταξινομήσει τον ήλιο. Οι άμεσοι και έμμεσοι τρόποι συμπερασμάτων της μεταλλικότητάς του υπολόγισαν και τους δύο τον ήλιο ως μέταλλο περίπου 1,8 τοις εκατό - μια ευτυχής σύγκλιση που τους έκανε να πιστέψουν ότι κατανοούσαν όχι μόνο το μήκος του ηλιακού κριτηρίου τους αλλά και πώς λειτουργεί ο ήλιος. Ωστόσο, καθ' όλη τη διάρκεια της δεκαετίας του 2000, οι ολοένα και πιο ακριβείς φασματοσκοπικές μετρήσεις του ηλιακού φωτός - ένας άμεσος ανιχνευτής της σύνθεσης του ήλιου, καθώς κάθε στοιχείο δημιουργεί ενδεικτικές γραμμές απορρόφησης στο φάσμα - έδειξαν πολύ χαμηλότερη μεταλλικότητα μόλις 1,3 τοις εκατό. Εν τω μεταξύ, η ηλιοσεισμολογία, η ανταγωνιστική, έμμεση προσέγγιση για την εξαγωγή της μεταλλικότητας που βασίζεται στον τρόπο με τον οποίο τα ηχητικά κύματα διαφορετικών συχνοτήτων διαδίδονται στο εσωτερικό του ήλιου, εξακολουθεί να λέει 1,8 τοις εκατό.

Αλλά αν η θεωρία των αστρονόμων για τον ήλιο, που ονομάζεται «τυποποιημένο ηλιακό μοντέλο», είναι σωστή, η φασματοσκοπία και η ηλιοσεισμολογία θα πρέπει να συμφωνήσουν. Δηλαδή, οι αστρονόμοι θα πρέπει να μπορούν να χρησιμοποιούν τις ηλιοσεισμολογικές μετρήσεις για να υπολογίσουν το βάθος ενός σημαντικού οριακού στρώματος στον ήλιο όπου η ακτινοβολία δίνει τη θέση του στη μεταφορά. Και αυτό το βάθος σχετίζεται, σύμφωνα με τις εξισώσεις, με την αδιαφάνεια του ήλιου, άρα και με τη μεταλλικότητά του. Αυτή η ακολουθία υπολογισμών θα πρέπει να προβλέπει την ίδια τιμή για τη μεταλλικότητα που μετρούν τα φασματοσκοπικά απευθείας από το ηλιακό φως. Όχι.

"Αυτό είναι ένα πρόβλημα όχι μόνο για την ηλιακή φυσική, αλλά κατ' επέκταση για την αστρονομία στο σύνολό της", δήλωσε ο Asplund, ο οποίος ηγήθηκε της ομάδας πίσω από τις ακριβείς φασματοσκοπικές μετρήσεις. «Είτε οι αστρονόμοι δεν καταλαβαίνουν πώς να μετρούν τη στοιχειακή αφθονία των άστρων χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία, είτε η κατανόησή μας για το εσωτερικό των αστεριών και τον τρόπο ταλάντωσης τους είναι ελλιπής», είπε. "Είτε έτσι είτε αλλιώς, έχει σημαντικές προεκτάσεις, καθώς τα αστέρια είναι οι θεμελιώδεις ανιχνευτές του σύμπαντος, με την αστρική αστροφυσική να παρέχει μεγάλο μέρος της βάσης για τη σύγχρονη αστρονομία και κοσμολογία."

Μετά από χρόνια συζήτησης για το τι μπορεί να πάει στραβά - συμπεριλαμβανομένων εικασιών για τη σκοτεινή ύλη στον ήλιο - η συζήτηση έχει φτάσει σε «λίγο αδιέξοδο», είπε ο Sarbani Basu, ηλιακός αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Yale. Αλλά υπάρχει ελπίδα. Πρόσφατα, ένας ασθενής υπαινιγμός για την ηλιακή μεταλλικότητα προήλθε από φευγαλέα σωματίδια που προέρχονται από τον ήλιο που ονομάζονται ηλιακά νετρίνα. Διαφορετικές αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης παράγουν ηλιακά νετρίνα διαφορετικών ενεργειών και έτσι τα σωματίδια μεταφέρουν πληροφορίες για τη σύνθεση του ήλιου. Σε μια διάσκεψη τον περασμένο μήνα στη Χαϊδελβέργη της Γερμανίας, το πείραμα Borexino που βασίζεται στο Εθνικό Εργαστήριο Gran Sasso της Ιταλίας ανέφερε ανιχνεύσεις ηλιακών νετρίνων που ευνοούν οριακά την υψηλότερη, 1,8 τοις εκατό εκτίμηση της μεταλλικότητας του ήλιου.

Εάν αυτή η εκτίμηση υψηλής μεταλλικότητας είναι πράγματι σωστή, αυτό εγείρει ερωτήματα σχετικά με το τι ακριβώς πήγε στραβά με τις φασματοσκοπικές μετρήσεις του Asplund και των συνεργατών του. "Εάν το πρόβλημα είναι με τη φασματοσκοπία, τότε πιθανότατα κάνουμε παρόμοια λάθη όταν αναλύουμε άλλα αστέρια", είπε, κάτι που θα επηρεάσει τις ερμηνείες της χημικής εξέλιξης των άστρων και των γαλαξιών όπως ο Γαλαξίας.

Αλλά ο Asplund επιμένει στη φασματοσκοπική εκτίμηση του 1,3%. Επισημαίνει μια μελέτη του 2015 στο Φύση υποδεικνύοντας ότι τα μέταλλα μπορεί να αυξήσουν την αδιαφάνεια ακόμη περισσότερο από ό,τι πιστευόταν προηγουμένως στις συνθήκες υψηλής πίεσης του πυρήνα του ήλιου. Η διόρθωση αυτής της διαφοράς στο τυπικό ηλιακό μοντέλο θα μπορούσε να μειώσει τις ηλιοσεισμολογικές και νετρινο εκτιμήσεις της μεταλλικότητας στο 1,3%, είπε.

Τα επόμενα χρόνια, η ομάδα του Borexino αναμένει να ανιχνεύσει σπάνια ηλιακά νετρίνα που παράγονται στον κύκλο CNO, μια αντίδραση σύντηξης στον ήλιο στην οποία άτομα άνθρακα, αζώτου και οξυγόνου χρησιμεύουν ως καταλύτες για τη σύντηξη υδρογόνου σε ήλιο. «Τα νετρίνα CNO επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από τη μεταλλικότητα, επομένως η μέτρηση αυτών των νετρίνων θα μπορούσε να είναι οριστική», δήλωσε η Andrea Pocar, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης Amherst και μέλος της συνεργασίας Borexino.

Εάν αποδειχθεί ότι ο ήλιος είναι, στην πραγματικότητα, μόνο 1,3 τοις εκατό μέταλλο, αυτό θα σήμαινε ότι το τυπικό ηλιακό μοντέλο έχει πραγματικά λάθος αδιαφάνεια. «Αυτό επηρεάζει ουσιαστικά όλη την αστρονομία», είπε ο Asplund, «καθώς η ακριβής κατανόηση της αστρικής εξέλιξης βασίζεται σχεδόν σε οτιδήποτε κάνουμε». Οι εκτιμώμενες ηλικίες των αστεριών και των γαλαξιών θα πρέπει να αναθεωρηθούν κατά 10 έως 15 τοις εκατό. Δυστυχώς για τον ίδιο τον ήλιο (και τη μελλοντική ζωή στη Γη), τα αστέρια χαμηλής μεταλλικότητας καίνε καύσιμα πιο γρήγορα από τα αστέρια υψηλής μεταλλικότητας, επομένως ο ήλιος μας θα πέθαινε περίπου ένα δισεκατομμύριο χρόνια νωρίτερα από ό,τι πιστεύαμε.

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στο TheAtlantic.com και στα Ισπανικά στο Investigacionyciencia.es .