Cosa fare quando un metodo collaudato per determinare la composizione chimica del sole sembra essere in contrasto con una tecnica innovativa e precisa per mappare la struttura interna del sole? Questa era la situazione degli astronomi che studiavano il sole, fino a quando i nuovi calcoli che ora sono stati pubblicati da Ekaterina Magg, Maria Bergemann e colleghi, risolvono l'apparente contraddizione.

La crisi decennale dell'abbondanza solare è il conflitto tra la struttura interna del sole determinata dalle oscillazioni solari (eliosismologia) e la struttura derivata dalla teoria fondamentale dell'evoluzione stellare, che a sua volta si basa sulle misurazioni della chimica del sole attuale composizione. I nuovi calcoli della fisica dell'atmosfera solare producono risultati aggiornati per le abbondanze di diversi elementi chimici, che risolvono il conflitto. In particolare, il sole contiene più ossigeno, silicio e neon di quanto si pensasse in precedenza. I metodi impiegati promettono anche stime molto più accurate delle composizioni chimiche delle stelle in generale.

Astrochimica usando gli spettri

Il metodo collaudato in questione è l'analisi spettrale. Per determinare la composizione chimica del nostro sole, o di qualsiasi altra stella là fuori, gli astronomi si rivolgono regolarmente agli spettri:la decomposizione della luce simile a un arcobaleno nelle sue diverse lunghezze d'onda. Gli spettri stellari contengono linee scure evidenti e nitide, notate per la prima volta da William Wollaston nel 1802, riscoprite notoriamente da Joseph von Fraunhofer nel 1814 e identificate come segni rivelatori che indicano la presenza di elementi chimici specifici da Gustav Kirchhoff e Robert Bunsen negli anni '60 dell'Ottocento.

Il lavoro pionieristico dell'astrofisico indiano Meghnad Saha nel 1920 collegò la forza di quelle "linee di assorbimento" alla temperatura stellare e alla composizione chimica, fornendo la base per i nostri modelli fisici di stelle. La realizzazione di Cecilia Payne-Gaposchkin che stelle come il nostro sole sono costituite principalmente da idrogeno ed elio, con nient'altro che tracce di elementi chimici più pesanti, si basa su questo lavoro.

Oscillazioni solari che raccontano una storia diversa

I calcoli sottostanti relativi alle caratteristiche spettrali alla composizione chimica e alla fisica del plasma stellare sono stati di importanza cruciale per l'astrofisica da allora. Sono stati la base di un progresso lungo un secolo nella nostra comprensione dell'evoluzione chimica dell'universo, nonché della struttura fisica e dell'evoluzione delle stelle e degli esopianeti. Questo è il motivo per cui è stato uno shock quando, quando sono diventati disponibili nuovi dati di osservazione che hanno fornito una visione del funzionamento interno del nostro sole, i diversi pezzi del puzzle apparentemente non si incastrano.

Il moderno modello standard dell'evoluzione solare è calibrato utilizzando un famoso (nei circoli di fisica solare) serie di misurazioni della composizione chimica dell'atmosfera solare, pubblicato nel 2009. Ma in una serie di dettagli importanti, una ricostruzione della struttura interna della nostra stella preferita basata su quel modello standard contraddice un'altra serie di misurazioni:dati eliosismici, cioè misurazioni che tracciano in modo molto preciso le minuscole oscillazioni del sole nel suo insieme, il modo in cui il sole si espande e si contrae ritmicamente secondo schemi caratteristici, su scale temporali comprese tra secondi e ore .

Proprio come le onde sismiche forniscono ai geologi informazioni cruciali sull'interno della Terra, o come il suono di una campana codifica informazioni sulla sua forma e sulle proprietà dei materiali, l'eliosismologia fornisce informazioni sull'interno del sole.

La crisi dell'abbondanza solare

Misurazioni eliosismiche altamente accurate hanno fornito risultati sulla struttura interna del sole che erano in contrasto con i modelli solari standard. Secondo l'eliosismologia, la cosiddetta regione convettiva all'interno del nostro sole dove la materia sale e scende nuovamente, come l'acqua in una pentola bollente, era considerevolmente più grande del modello standard previsto. Anche la velocità delle onde sonore vicino al fondo di quella regione si è discostata dalle previsioni del modello standard, così come la quantità complessiva di elio nel sole. Per finire, anche alcune misurazioni dei neutrini solari - particelle elementari fugaci, difficili da rilevare, che ci raggiungono direttamente dalle regioni centrali del sole - erano leggermente fuori scala rispetto ai dati sperimentali.

Gli astronomi ebbero quella che presto chiamarono una "crisi dell'abbondanza solare" e, alla ricerca di una via d'uscita, alcune proposte andavano dall'insolito al decisamente esotico. Il sole ha forse accumulato del gas povero di metalli durante la sua fase di formazione del pianeta? L'energia viene trasportata dalle particelle di materia oscura notoriamente non interagenti?

Calcoli oltre l'equilibrio termico locale

Lo studio appena pubblicato di Ekaterina Magg, Maria Bergemann e colleghi è riuscito a risolvere quella crisi, rivisitando i modelli su cui si basano le stime spettrali della composizione chimica del sole. I primi studi su come vengono prodotti gli spettri delle stelle si basavano su qualcosa noto come equilibrio termico locale. Avevano ipotizzato che localmente, l'energia in ogni regione dell'atmosfera di una stella avesse il tempo di diffondersi e raggiungere una sorta di equilibrio. Ciò consentirebbe di assegnare a ciascuna di queste regioni una temperatura, il che comporta una notevole semplificazione nei calcoli.

Ma già negli anni '50, gli astronomi si erano resi conto che questa immagine era eccessivamente semplificata. Da allora, sempre più studi hanno incorporato i cosiddetti calcoli Non-LTE, abbandonando l'ipotesi di equilibrio locale. I calcoli non LTE includono una descrizione dettagliata di come l'energia viene scambiata all'interno del sistema:gli atomi vengono eccitati dai fotoni o entrano in collisione, i fotoni vengono emessi, assorbiti o dispersi. Nelle atmosfere stellari, dove le densità sono troppo basse per consentire al sistema di raggiungere l'equilibrio termico, quel tipo di attenzione ai dettagli ripaga. Lì, i calcoli non LTE producono risultati notevolmente diversi dalle loro controparti di equilibrio locale.

Applicazione non LTE alla fotosfera solare

Il gruppo di Maria Bergemann al Max Planck Institute for Astronomy è uno dei leader mondiali quando si tratta di applicare calcoli non LTE alle atmosfere stellari. Come parte del lavoro sul suo dottorato di ricerca. in quel gruppo, Ekaterina Magg si proponeva di calcolare in modo più dettagliato l'interazione della materia radiante nella fotosfera solare. La fotosfera è lo strato esterno dove ha origine la maggior parte della luce solare e anche dove le linee di assorbimento sono impresse nello spettro solare.

In questo studio hanno tracciato tutti gli elementi chimici rilevanti per gli attuali modelli di come le stelle si sono evolute nel tempo e hanno applicato più metodi indipendenti per descrivere le interazioni tra gli atomi del sole e il suo campo di radiazione al fine di assicurarsi che i loro risultati fossero coerenti. Per descrivere le regioni convettive del nostro sole, hanno utilizzato simulazioni esistenti che tengono conto sia del movimento del plasma che della fisica della radiazione ("STAGGER" e "CO5BOLD"). Per il confronto con le misurazioni spettrali, hanno scelto il set di dati con la più alta qualità disponibile:lo spettro solare pubblicato dall'Istituto di Astro e Geofisica dell'Università di Göttingen. "Ci siamo anche concentrati ampiamente sull'analisi degli effetti statistici e sistematici che potrebbero limitare l'accuratezza dei nostri risultati", osserva Magg.

Un sole con più ossigeno ed elementi più pesanti

I nuovi calcoli hanno mostrato che la relazione tra le abbondanze di questi elementi chimici cruciali e la forza delle corrispondenti righe spettrali era significativamente diversa da quanto affermato dagli autori precedenti. Di conseguenza, le abbondanze chimiche che seguono dallo spettro solare osservato sono in qualche modo diverse da quanto affermato nell'analisi precedente.

"Abbiamo scoperto che, secondo la nostra analisi, il sole contiene il 26% in più di elementi più pesanti dell'elio rispetto a quanto avevano dedotto studi precedenti", spiega Magg. In astronomia, tali elementi più pesanti dell'elio sono chiamati "metalli". Solo nell'ordine del millesimo di percento di tutti i nuclei atomici nel sole sono metalli; è questo numero molto piccolo che ora è cambiato del 26% rispetto al suo valore precedente. Magg aggiunge:"Il valore dell'abbondanza di ossigeno era quasi il 15% in più rispetto agli studi precedenti". I nuovi valori sono, tuttavia, in buon accordo con la composizione chimica dei meteoriti primitivi ("condriti CI") che si ritiene rappresentino la composizione chimica del primissimo sistema solare.

Crisi risolta

Quando questi nuovi valori vengono utilizzati come input per gli attuali modelli di struttura ed evoluzione solare, la sconcertante discrepanza tra i risultati di quei modelli e le misurazioni eliosismiche scompare. L'analisi approfondita di Magg, Bergemann e dei loro colleghi su come vengono prodotte le righe spettrali, con il suo affidamento su modelli notevolmente più completi della fisica sottostante, riesce a risolvere la crisi dell'abbondanza solare.

Maria Bergemann afferma:"I nuovi modelli solari basati sulla nostra nuova composizione chimica sono più realistici che mai:producono un modello del sole che è coerente con tutte le informazioni che abbiamo sulla struttura attuale del sole:onde sonore, neutrini , la luminosità e il raggio del sole, senza la necessità di una fisica esotica e non standard nell'interno solare."

Come bonus aggiuntivo, i nuovi modelli sono facili da applicare a stelle diverse dal sole. In un momento in cui indagini su larga scala come SDSS-V e 4MOST stanno fornendo spettri di alta qualità per un numero sempre maggiore di stelle, questo tipo di progresso è davvero prezioso, mettendo le future analisi della chimica stellare, con le loro implicazioni più ampie per le ricostruzioni di l'evoluzione chimica del nostro cosmo, su basi più solide che mai.

Lo studio, "Vincoli osservazionali sull'origine degli elementi. IV:La composizione standard del sole", è pubblicato sulla rivista Astronomy &Astrophysics . + Esplora ulteriormente

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