Металличность Солнца оказалась выше, чем считалось: что узнали астрофизики

Физики, работающие на эксперименте Borexino — детекторе частиц в подземной лаборатории Гран-Сассо, расположенной под горным массивом недалеко от Рима — уточнили измерение данных о солнечных нейтрино. Эти элементарные частицы образуются во время ядерных реакций, протекающих внутри звезды, и могут рассказать больше о его составе.

Результаты наблюдений показали, что металличность солнечного ядра выше, чем предсказывает стандартная солнечная модель. Напомним, в астрофизике металличностью называют содержание любых химических элементов тяжелее водорода и гелия, а не только металлов.

Термоядерные реакции на Солнце

Энергия, производимая звездами — один из продуктов нуклеосинтеза, формирования различных химических элементов в процессе ядерного синтеза в недрах звезды. Считается, что звездный нуклеосинтез начался с момента образования водорода, гелия и лития во время Большого взрыва. Основной химический процесс, который генерирует большую часть энергии, в ядрах звезд главной последовательности (основная стадия эволюции звезд) — водородный синтез.

Во время этого процесса, который также называют горением водорода (хоть он и не имеет ничего общего со сжиганием газообразного водорода в присутствии кислорода), четыре протона соединяются с образованием ядра гелия. Есть два преобладающих процесса, посредством которых происходит синтез звездного водорода: протон-протонная цепь и цикл углерод-азот-кислород (CNO). 

Около 99% солнечной энергии производится в результате реакций протон-протонной цепи. Цикл включает в себя три стадии. Вначале два протона, имеющие достаточно энергии, чтобы преодолеть кулоновский барьер, сливаются, образуя дейтрон, позитрон и электронное нейтрино. На втором этапе дейтрон сливается с протоном, образуя ядро гелия-3. Наконец, два ядра атома гелия-3 сливаются, образуя ядро атома гелия-4. При этом высвобождаются два протона, которые запускают новые реакции. 

Оставшаяся энергия солнечного излучения поступает в результате реакций цикла CNO. Это ряд термоядерных реакций (в том числе кислородное и углеродное сгорание), в которых углерод, кислород и азот выступают как катализаторы способствуя преобразованию атомов водорода (протонов) в атомы гелия-4. И протон-протонная цепь и цикл CNO в качестве побочных продуктов производят нейтрино.

Измерение внутреннего состава Солнца

До настоящего времени у астрофизиков было два способа исследовать внутренний состав ближайшей к Земле звезды. Это спектроскопия и гелиосейсмология.

При использовании спектроскопии ученые анализируют спектр солнечного света в поисках «отпечатков пальцев» различных химических элементов. Каждый из них поглощает свет с определенной длиной волны, в результате в зависимости от состава на спектре формируются темные линии — линии поглощения. 

Кстати, именно благодаря спектроскопии был впервые обнаружен гелий. Этот элемент на тот момент не был открыт на Земле, наблюдая его линию поглощения на спектре солнечного света в хромосфере звезды во время солнечного затмения, исследователи установили, что существует некий дополнительный элемент, который (как тогда полагали) не встречается на нашей планете.

Второй подход анализа состава звезды называется гелиосейсмологией. Ученые, использующие этот метод, измеряют звуковые волны, достигшие поверхности Солнца после отражения внутри звезды. При этом чем больше тяжелых элементов на Солнце, тем сильнее они препятствуют проникновению звуковых волн на поверхность, а значит выше металличность звезды.

В прошлом предложенные методы давали сопоставимые оценки, но по мере повышения точности измерений данные разошлись. Чтобы примирить (или поссорить) два метода измерений, исследователи придумали новый подход.

Еще в 2020 году физики объявили, что они впервые обнаружили нейтрино солнечного цикла CNO с помощью детекторов эксперимента Borexino. Они собирали данные в период с января 2017 года по октябрь 2021 года, наблюдая в среднем 4,8 CNO-нейтрино в день. В новой работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, ученые сообщили, что им удалось вдвое сократить погрешность предыдущих измерений и точнее определить содержание углерода и азота в ядре Солнца.

Какая металличность у Солнца?

С начала 2000-х годов измерения, проведенные с помощью спектроскопии и гелиосейсмологии начали расходиться. Первый метод измерения показывал более низкое содержание тяжелых элементов, чем анализ звуковых волн. Результаты наблюдения за нейтрино подтверждают теорию высокой металличности гелиосейсмографов: они говорят, что количество тяжелых элементов на 9-58% больше, чем предполагает теория на основе спектроскопии.

Одним из возможных объяснений таких различий в измерениях может быть разница в концентрации химических элементов на поверхности и внутри ядра звезды. Такую гипотезу предлагают астрофизики, опубликовавшие результаты своего моделирования в журнале Astronomy & Astrophysics. Они показали, что если Солнце в процессе формирования собирало материал с протосолнечного диска неравномерно, то металличность его ядра могла бы быть на 5% выше, чем на поверхности.

Пока это только гипотеза, которую смогут подтвердить или опровергнуть будущие измерения. Но эта гипотеза дает надежду, что исследователи, использующие разные подходы для своих измерений смогут прийти к консенсусу и создать единую и непротиворечивую модель Солнца, а значит лучше понять, как устроены и другие звезды, расстояние до которых не позволяют использовать такое множество альтернативных инструментов. 

Тот факт, что внутри Солнца находится гораздо больше углерода, кислорода и азота «меняет понимание того, как образуются химические элементы, как звезды развиваются, как они живут и умирают», отмечают ученые.

Читать далее:

Названы продукты, которые вызывают рак. Их подают на новогодний стол

Китайский вездеход обнаружил на Луне следы невиданного ранее базальта

Самые красивые фото «Уэбба» за 2022 год: посмотрите, что сделал телескоп за $10 млрд

_{Изображение на обложке: NASA/GSFC/SDO}