Naučnici revidiraju nalaze o sastavu Sunca

Beneath_that_blazing_facade
(klinite na sliku)
Naučnici još uvek utvrđuju hemijski sastav Sunca, prisutnost elemenata koji kruže i bućkaju ispod njegove površine. TRACE project/NASA

U pantenonu kosmičkih zvezda, Sunce je prava superzvezda. Za nas je ono primarni izvor svetlosti i toplote, gorivo zelenilu koje nam omogućuje disanje, vreme koje podešava dnevni ritam tela, izvor naelektrisanih čestica kojima možemo zahvaliti za prelepu auroru borealis, na primer.

Međutim pored tako velike uloge na našoj pozornici, Sunce i dalje kao svaka prava zvezda krije mnoge tajne. Frustrirajuće je da astronomi još uvek nisu ustanovili osnovno: od čega se Sunce tačno sastoji?

"Mi u stvari ne znamo tačan sastav Sunca", kaže Carlos Allende Prieto, astronom na Instituto de Astrofisica de Canarias, na Kanarskim ostrvima. "To je veliki problem".

Fizičari dosta znaju o Suncu, i kako radi: u jezgru tela odigrava se fuzija atoma vodonika, nastaju atomi helijuma i težih elemenata, pri tom oslobađa se velika energija. Ali poslednjih nekoliko godina naučnici raspolažu novim, dramatično izmenjenim procenama o Sunčevom hemijskom sastavu. Naročito je zastupljenost osnovnih elemenata poput kiseonika, ugljenika i azota daleko manja njego što se to ranije mislilo. Ove izmene su dovoljno značajne da dovode u pitanje i druge pretpostavke u vezi sa Suncem, kao na primer ideju da zvučni talasi putuju kroz njegovu unutrašnjost odjekujući kao gong.

Budući da je Sunce kao štap kojim premeravamo druge astronomske fenomene, ako imamo nove rezultate sunčevog sastava, moraćemo modifikovati ideje o hemijskom sastavu zvezda poput Sunca. Ove promene, zauzvrat, odraziće se na naše poimanje o nastanku galaksija, kojom stopom i u kom vremenskom okviru su se razvijale, sintetizovale i izbacivale teže elemente u svemir.

"Ljudu uvek porede zvezde ovog tipa sa Suncem, a ono se sada promenilo", kaže astronom Nicolas Grevesse sa University of Liège, Belgija. "Sada ponovo sve proveravamo, sve analize, od A do Ž".

Peering_within
Činjenicu da svaki hemijski element emituje ili apsorbuje svetlost na određenim talasnim dužinama naučnici koriste da bi proučavali sastav Sunca i drugih nebeskih tela. B. Rakouskas
(prevod teksta na ilustraciji)
(belo svetlo      prizma             talasna dužina
kontinualni spektar
Kada uzan snop vrele bele svetlosti posmatramo kroz instrument koji radi po principu prizme, svetlost se razdvoji na svoje sastavne delove, tvoreći kontinualni spektar.
Gas      emisione linije
Na isti način, gasovi emituju svetlost različitih talasnih dužina, zavisno koji je element prisutan. Kada ga posmatramo kroz instrument, gas se vidi kao set svetlih linija (na slici vodonika)
bela svetlost     gas       apsorpcione linije
Kada bela svetlost putuje kroz gas, pre razdvajanja, kao u Suncu, gas apsorbuje nešto svetlosti, ostavljajući tamne linije koji ukazuju na prisutne elemente (vodonik na slici))

Čitajući između redova

Istraživači proučavaju sastav Sunca tako što analiziraju svetlost koja dopire sa njega sa udaljenosti od gotovo 150 miliona km. Propustite svetlost sa Sunca krouz uređaj za razlaganje svetlosti u spektar na svim talasnim dužinama, videćete da su ovi prošarani tamnim linijama. Još krajem 1850-tih naučnici su znali da ove tamne linije korespondiraju sa hemijskim elementima u spoljnim slojevima Sunca. Elementi apsorbuju zračenje koje nadire iz unutrašnjosti i blokiraju svetlost. Što je više svetlosti apsorbovano to se smatra da je više tog elementa prisutno.

Astronom Henry Norris Russell 1929. godine objavljuje da je pomoću spektroskopije ustanovio  prisustvo 56 hemijskih elemenata u Sunčevoj atmosferi. Otada, astronomi i dalje usaglašavaju rezultate merenja, i generalno smatra se da vodonik, najlakši elemenat, čini približno 70% Sunčeve mase. Milionima godina nuklearnom fuzijom u Sunčevom jezgru vodonik se lagano pretače u helijum, postepeno u teže elemente, koje astronomi nazivaju "metali", mada oni uključuju i gasove kao što je kiseonik. (U astronomskoj terminologiji metal je svaki element teži od vodonika i helijuma. Zastupljenost teških elemenata u nebeskom telu označava njegovu metaličnost. prim.prev.) Sve vreme, glavno pitanje bilo je koliki je udeo metala u sastavu Sunca.

What_lies_within
(klinite na sliku)
Unutar veće slike / Mada naučnici još uvek raspravljaju o tačnom sastavu Sunca, jedna nova studija sugeriše da prisutnost vodonika iznosi 71%, helijuma 27%, dok metali čine 1.43 %. Među metalima kiseonik je najprisutniji, a prate ga ugljenik, željezo i neon. Izvor: M.Asplund

Jedan uticajan magazin je 1989., gde se i Grevesse oglasio, izvestio je da metali čine 2% sunčeve fotosfere, tj. nižeg sloja sunčeve atmosfere gde se formiraju spektralne linije. Međutim, 1990-tih novim i daleko sofisticiranijim analizama ove procene su dovedene u sumnju.

Mada se na osnovu spektralnih linija može demistifikovati unutrašnjost Sunca, istraživačima su potrebni modeli koji intepretiraju ove linije. Takvim modelima možemo da reprodukujemo bućkanje i proticanje gasova u Sunčevoj fotosferi. Raniji modeli su bili zasnovani na jednodimenzionalnim simulacijama na računaru, gde je sunčeva atmosfera izdeljena na jednostavne slojeve. Nasuprot ovom, novi modeli usredsređuju se na mali deo atmosfere ali simuliran u tri dimenzije i sa mnogo više detalja, uključujući na primer kovitlace mase i energije kako nadiru iz zone konvekcije, spoljašnjeg sloja sunčeve unutrašnjosti, u niže slojeve atmosfere.

3-D simulacija ima značajnu implikaciju i astronomi će morati da menjaju ranije interpretacije spektralnih linija. U nekim slučajevima jačina neke apsorpcione linije može da signalizira prisutnost hemijskog elementa koja je drugačija od ranije procene.

Novi proračuni su poboljšali situaciju po pitanju procene prisutnosti željeza i silicijuma. "Tek kada smo počeli metod da primenjujemo na važnije elemente kao što su kiseonik i ugljenik, najzastupljeniji metali u Suncu, uvideli smo vrlo brzo da se rezultati veoma razlikuju", rekao je Martin Asplund, astronom na Max Planck Institute for Astrophysics, Garching, Nemačka.

Asplundov tim objavio je da je zastupljenost kiseonika u fotosferi Sunca niža za 30% do 40% od uobičajeno prihvaćenih vrednosti, a slične su promene i u procenama za ugljenik, azot i neon. Za većinu ostalih elemenata vrednosti se tek malo razlikuju. Sve u svemu, tim je pronašao da iznos metala u Suncu nije 2%, već 1.4 %. Svoje rezultate sumirali su u poslednjem radu prošle godine u Annual Review of Astronomy and Astrophysics.

Zagonetne oscilacije 

Niža metaličnost Sunca znači da treba korigovati sve druge rezultate, naročito modele unutrašnjosti Sunca zasnovane na helioseizmologiji, studiji o tome kako talasi, kao zvučni talasi, putuju kroz Sunce.

Turbulencije unutar Sunca proizvode zvučne talase koji osciliraju napred nazad unutar zvezde. Proučavanjem ovih oscilacija saznali smo na primer kako različiti slojevi rotiraju različitim brzinama, i kolika je dubina konvekcione zone. Ovom tehnikom možemo da proučavamo sunčeve pege sa druge strane objekta, pošto sunčeve pege apsorbuju zvučne talase i prigušuju odjeke.

Zahvaljujući helioseizmologiji izgradili smo sliku o unutrašnjosti Sunca, modeli su bili razumno uspešni i fizičari su smatrali da su razumeli Sunčevu unutrašnjost.

Hunting_for_exoplanets_
(klinite na sliku)

U potrazi za egzoplanetama / Ciljajući zvezde sunčeve metaličnosti, naučnici mogu modernizovati potragu za planetama kao što je Zemlja (ova je nacrtana). ESO

Međutim, niža metaličnost Sunca u procenama Asplundovog tima može da poremeti celu stvar. Ako imamo model u kojem je prisustvo kiseonika u fotosferi niže za 30% do 40% , dobićemo sliku koja se kosi sa rezultatima helioseizmoloških posmatranja. Na primer, možemo dobiti drugačije vrednosti za brzinu zvuka i gustinu unutar Sunca od onih koje su stvarno izmerene.

Ako su Asplundovi proračuni tačni, "onda naši modeli nisu dobri", kaže Sarbani Basu, a helioseizmolog sa Yale University.

S druge strane, niži procenat metala rešava druge astronomske dileme. "Dugo je izgledalo da je zastupljenost teških metala na Suncu veća u poređenju sa obližnjim telima tog tipa, što je bilo neobično i predstavljalo problem", kaže Asplund. Po njemu, sada novi proračuni "prikazuju Sunce kao potpuno normalno" u odnosu na obližnje zvezde.

Pojedini astronomi već su počeli da primenjuju nove rezultate u studijama o evoluciji zvezda u galaksijama van Mlečnog puta. Pošto zvezde tek vremenom postaju bogatije metalom, merenjem metaličnosti galaksije možemo utvrditi koliko su zvezde unutar nje evoluirale i proceniti kada su se oformile.

Ali Lisa Kewley, astronom sa University of Hawaii, Manoa, kaže da drugi istraživači, uključujući i nju, još nisu počeli da primenjuju nove rezultate, zato što nije jasno da li su Asplundovi, kao i rezultati drugih timova koji se takmiče u ovim istraživanjima, tačni. Primećuje i da je moguće proučavati prisustvo metala u drugim galaksijama bez potrebe da se uz njih prilože i Sunčeve reference. Na primer, astronomi mogu da uporede prisustvo kiseonika sa prisustvom vodonika u određenoj galaksiji. Vršeći ista merenja na mnogim galaksijama mogu da naprave komparativnu sliku metaličnosti galaksije a da pri tom uopšte ne brinu u kom procentu je zastupljen kiseonik na Suncu.

Ipak, mnogi naučnici osećaju blagu nelagodu zbog svega. Pre nekoliko godina na Pariskoj opservatoriji, naučnici pod vođstvom Hans-Günter Ludwiga odlučili su da upotrebe sopstveni 3-D simulator za sunčevu atmosferu i da vide da li mogu da potvrde Asplundov rad. I utvrdili su da ne mogu, barem ne u svemu. Ludvigov tim, uključujuči svršenog studenta Elisabetta Caffau, izvestili su o zastupljenosti pojednih elemenata, od koji su mnoge vrednosti bile veće od Asplundovih ali ne i visoke koliko u procenama 1980-tih.

Ovog proleća, (ovaj tekst je objavljen u junskom broju časopisa, 2010., prim. prev.), dva tima sastala su se u Garchingu na nedelju dana da kroz raspravu pokušaju da usaglase razlike. Obe grupe saglasne su da njihove 3-D simulacije potvrđuju nižu metaličnost. To je opšte prihvaćeno i potvrđeno i drugim dokazom: praiskonskim meteoritima. Svemirsko stenje pod nazivom "ugljenični hondriti" smatra se hemijski najprimitivnijim meteoritima, i zahvaljujući njima imamo uvid u to kakva je hemija bila zastupljena u ranom sunčevom sistemu, uključujući i tek oformljeno sunce. Analizom sastava ovih meteorita uvideli smo da je prisustvo kiseonika i drugih elementata u manjoj meri zastupljeno nego što se navodilo u izveštajima i procenama 1980-tih.

Problem, međutim, predstavlja izbor relevantnih stavki na osnovu kojih timovi utvrđuju vrednosti. Na primer, Ludwig, sada na University of Heidelberg, Nemačka, i njegove kolege, koriste veći broj spektralnih linija da bi utvrdili procenat u kojem je neki element prisutan, dok Asplundov tim odbacuje taj broj.

Grevessse, koji radi sa Asplundom, kaže da Ludwigova grupa koristi spektralne linije koje su spojene, ili kontaminirane linijama drugih elemenata iz sunčeve atmosfere. "Odbacili smo mnoge linije koje su se u prošlosti razmatrale", kaže Grevesse. Ludwig odgovara da treba da se napravi procena na naučnoj osnovi: "Morate da odlučite koje linije bi trebalo da uzmete u obzir"

Nisu se usaglasili ni da li da uzimaju u obzir samo potpise atoma, na primer kiseonika, ili i linije molekula, kao što su atomi ugljenika i kiseonika spojenih kao CO. (Asplund unosi podatke za molekule, dok Ludwig ne). Takođe koriste različite pretpostavke na osnovu kojih treba da utvrde detalje kako uopšte nastaju spektralne linije. "Prilično pipkavo", kaže Asplund.

Poslednjih nekoliko meseci procene su im se približile za pojedine elemente, ali kiseonik ostaje i dalje glavno polje razmimoilaženja. Ludwigov tim dobija rezultat u  kojem je prisustvo kiseonika za 15% veće od onog kod Asplunda.

Ili će jedna grupa morati da prihvati odabir linija i kalibraciju proračuna koji je drugi tim izabrao, ili će se pribeći sasvim novom tipu relevantih podataka, tek ove dve grupe moraće nekako da se usklade. Grevesse kaže da bi voleo da vidi podrobnije analize atomskih spektrokopista, (naučnika koji proučavaju spektralne linije koje daju različiti elementi), da bi se napravili bolji proračuni. Ali takva istraživanja su skupa i dugo traju.

Ludwig bi takođe voleo bolja posmatranja, bolji katalog spektralnih linija čitavog sunčevog diska. Asplund insistira i na novijim i sofisticiranijim vrednostima sunčeve neprozirnosti, da bi se videlo da li bi to moglo da pomogne da se reše raskoraci u heliseizmilogiji.

Na ovome se ne radi, pa ni rezultate nećemo dobiti uskoro. "Mislim da će potrajati dok ne dobijemo definitivan odgovor", rekao je helioseizmolog Basu. Sunce će čuvati svoju tajnu do daljeg.

U lovu na egzoplanete

Pojedini istraživači smatraju da je uvidom u hemijski sastav obližnje zvezde moguće otkriti da li se u njenom sistemu kriju planete Zemljinog tipa. Ako je to tako, naučnici bi mogli da identifikuju sisteme u kojima je moguć život a da ne trošimo vreme i pare na satelite.

Zvezde koje imaju temperaturu, gravitaciju i metaličnost kao Sunce nazivamo "sunčevi blizanci". Ključ u potrazi za sunčevim blizancima bio bi da se traže oni koji imaju reducirane nivoe elemenata kao što su željezo i aluminijum, koji se inače lako kondenzuju u čestice prašine, kaže astronom Martin Asplund sa Max Planck Istitute za astrofiziku u Garchingu, Nemačka. Teoretski, iz diska gasa i prašine oko novonastale zvezde, ovi elementi budu uhvaćeni i inkorporirani u planete Zemljinog tipa. Materija koja završava u planetama ne završava u zvezdi.

Astronomi su otkrili više od 460 vansolarnih planeta oko zvezda ali ove planete su uglavnom gasoviti đžinovi poput Jupitera i Saturna, a ne poput male stenovite Zemlje. Naučnici tragaju za planetama ili pomoću spore metode, (tako što posmatraju pomeranja zvezde tokom mnogo godina ne bi li uočili gravitacioni poremećaj izazvan obližnjom malom planetom), ili skupom metodom, (šaljemo svemirsku letelicu u orbitu da traži prekide u svetlosti uzrokovane kretanjem planete ispred zvezde). Francuska misija COROT  i NASA misija Kepler trenutno traže planete Zemljinog tipa na ovaj način. Nijedna još nije potvrđena.

Metod proučavanja hemijskog sastava mogao bi osavremeniti ovakve potrage, tvrdi Asplund. "Ubeđeni smo da je moguće otkriti zvezde koje u svom sistemu imaju planete Zemljinog tipa ako samo posmatramo njihov hemijski sastav", izjavljuje.

Nekoliko studija sugeriše da približno 10 d0 20 posto sunčevih blizanaca imaju umanjen procenat elementa kao što je željezo, i poput Sunca mogli bi da imaju planete Zemljinog tipa u svom komšiluku, rekao je Asplund.

Science News, July 31st, 2010; Vol.178 #3 (p. 18)

Prevela T. Petrović

Author: Tatjana Petrović

Dodaj komentar


Sigurnosni kod
Osveži