Physiker arbeiten am Borexino-Experiment, einem Teilchendetektor im Gran Sasso-Untergrundlabor,
Die Ergebnisse der Beobachtungen zeigten, dass die MetallizitätSolarkern ist höher als das Standard-Solarmodell vorhersagt. Denken Sie daran, dass in der Astrophysik die Metallizität der Gehalt aller chemischen Elemente ist, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind, und nicht nur Metalle.
Thermonukleare Reaktionen in der Sonne
Die von Sternen erzeugte Energie ist eine davonProdukte der Nukleosynthese, die Bildung verschiedener chemischer Elemente bei der Kernfusion im Inneren eines Sterns. Es wird angenommen, dass die stellare Nukleosynthese mit der Bildung von Wasserstoff, Helium und Lithium während des Urknalls begann. Der wichtigste chemische Prozess, der den größten Teil der Energie in den Kernen von Hauptreihensternen (der Hauptstufe in der Entwicklung von Sternen) erzeugt, ist die Wasserstofffusion.
Bei diesem Vorgang wird auchDurch die Verbrennung von Wasserstoff (obwohl dies nichts mit der Verbrennung von Wasserstoffgas in Gegenwart von Sauerstoff zu tun hat) verbinden sich vier Protonen zu einem Heliumkern. Es gibt zwei vorherrschende Prozesse, durch die stellarer Wasserstoff synthetisiert wird: die Proton-Proton-Kette und den Kohlenstoff-Stickstoff-Sauerstoff-Zyklus (CNO).
Etwa 99 % der Solarenergie wird in Deutschland erzeugtdas Ergebnis von Proton-Proton-Kettenreaktionen. Der Zyklus umfasst drei Phasen. Zunächst verschmelzen zwei Protonen, die genug Energie haben, um die Coulomb-Barriere zu überwinden, zu einem Deuteron, einem Positron und einem Elektron-Neutrino. Im zweiten Schritt verschmilzt ein Deuteron mit einem Proton und bildet einen Helium-3-Kern. Schließlich verschmelzen die beiden Kerne eines Helium-3-Atoms zum Kern eines Helium-4-Atoms. Dadurch werden zwei Protonen freigesetzt, die neue Reaktionen auslösen.
Der Rest der Sonnenenergie wird zugeführtals Ergebnis der Reaktionen des CNO-Zyklus. Dies ist eine Reihe von thermonuklearen Reaktionen (einschließlich Sauerstoff- und Kohlenstoffverbrennung), bei denen Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff als Katalysatoren wirken und zur Umwandlung von Wasserstoffatomen (Protonen) in Helium-4-Atome beitragen. Sowohl die Proton-Proton-Kette als auch der CNO-Zyklus produzieren Neutrinos als Nebenprodukte.
Proton-Proton-Kette. Sarang, gemeinfrei, über Wikimedia Commons
CNO-Zyklus. Bild: Kirill Borisenko, CC BY-SA 4.0, über Wikimedia Commons
Messung der inneren Zusammensetzung der Sonne
Bisher hatten Astrophysiker zwei Möglichkeiten, die innere Zusammensetzung eines erdnächsten Sterns zu untersuchen. Dies sind Spektroskopie und Helioseismologie.
Spektroskopie der Sonne. Bild: N.A.Sharp, NOAO/NSO/Kitt Peak FTS/AURA/NSF
Beim Einsatz von Spektroskopie, WissenschaftlerAnalysieren Sie das Spektrum des Sonnenlichts, um nach „Fingerabdrücken“ verschiedener chemischer Elemente zu suchen. Jeder von ihnen absorbiert Licht einer bestimmten Wellenlänge, wodurch je nach Zusammensetzung dunkle Linien im Spektrum entstehen – Absorptionslinien.
Das war übrigens der Spektroskopie zu verdankenHelium wurde zuerst entdeckt. Dieses Element wurde zu dieser Zeit auf der Erde nicht entdeckt, als die Forscher seine Absorptionslinie im Spektrum des Sonnenlichts in der Chromosphäre eines Sterns während einer Sonnenfinsternis beobachteten, fanden die Forscher heraus, dass es ein zusätzliches Element gibt, das (wie damals angenommen wurde) nicht vorhanden ist auf unserem Planeten vorkommen.
Eine Illustration der Ausbreitung akustischer Wellen im Inneren der Sonne. Bild: ESA, NASA
Der zweite Ansatz zur Analyse der Zusammensetzung eines Sterns heißtHelioseismologie. Mit dieser Methode messen Wissenschaftler die Schallwellen, die die Sonnenoberfläche erreichen, nachdem sie im Inneren des Sterns reflektiert wurden. Je mehr schwere Elemente auf der Sonne sind, desto mehr verhindern sie das Eindringen von Schallwellen an die Oberfläche, was bedeutet, dass die Metallizität des Sterns höher ist.
In der Vergangenheit haben vorgeschlagene Verfahren Vergleichbares ergebenSchätzungen, aber als sich die Messgenauigkeit verbesserte, gingen die Daten auseinander. Um die beiden Messmethoden in Einklang zu bringen (oder zu streiten), entwickelten die Forscher einen neuen Ansatz.
Bereits 2020 gaben Physiker das erstmals bekanntentdeckten die Neutrinos des CNO-Sonnenzyklus mit den Detektoren des Borexino-Experiments. Sie sammelten Daten zwischen Januar 2017 und Oktober 2021 und beobachteten durchschnittlich 4,8 CNO-Neutrinos pro Tag. In einem neuen Artikel, der in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurde, berichten Wissenschaftler, dass sie den Fehler früherer Messungen halbiert und den Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt im Kern der Sonne genauer bestimmen konnten.
Was ist die Metallizität der Sonne?
Seit Anfang der 2000er Jahre werden Messungen mit durchgeführtSpektroskopie und Helioseismologie begannen auseinander zu gehen. Die erste Messmethode zeigte einen geringeren Gehalt an schweren Elementen als die Analyse von Schallwellen. Die Ergebnisse von Neutrino-Beobachtungen bestätigen die Theorie der hohen Metallizität von Helioseismographen: Sie sagen, dass die Menge an schweren Elementen 9-58% höher ist als die auf Spektroskopie basierende Theorie vermuten lässt.
Eine mögliche Erklärung für diese Unterschiede inBei Messungen kann es zu einem Unterschied in der Konzentration chemischer Elemente auf der Oberfläche und im Inneren des Sternkerns kommen. Diese Hypothese wird von Astrophysikern vorgeschlagen, die die Ergebnisse ihrer Modellierung in der Zeitschrift Astronomy & Astrophysik. Sie zeigten, dass die Metallizität ihres Kerns um 5 % höher sein könnte als an der Oberfläche, wenn die Sonne während ihrer Entstehung ungleichmäßig Material aus der protosolaren Scheibe sammelte.
Im Moment ist dies nur eine Hypothese, dass sie es könnenzukünftige Messungen bestätigen oder widerlegen. Diese Hypothese lässt jedoch hoffen, dass Forscher, die unterschiedliche Ansätze für ihre Messungen verwenden, einen Konsens erzielen und ein einheitliches und konsistentes Modell der Sonne erstellen und somit besser verstehen können, wie andere Sterne funktionieren, deren Entfernung die Verwendung von nicht zulässt so viele alternative Instrumente.
Die Tatsache, dass es viel mehr im Inneren der Sonne gibtmehr Kohlenstoff, Sauerstoff und Stickstoff "verändert das Verständnis darüber, wie chemische Elemente gebildet werden, wie sich Sterne entwickeln, wie sie leben und sterben", stellen die Wissenschaftler fest.
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Titelbild: NASA/GSFC/SDO