Sperimentando a 4,1 milioni di gradi Fahrenheit, i fisici della macchina Z dei Sandia National Laboratories hanno scoperto che un modello astronomico, utilizzato per 40 anni per prevedere il comportamento del sole e la vita e la morte delle stelle, sottovaluta il blocco energetico causato dagli atomi di ferro che fluttuano liberamente, protagonista di tali processi.

L'effetto di blocco, chiamata opacità, è la resistenza naturale di un elemento all'energia che lo attraversa, simile alla resistenza di una finestra opaca al passaggio della luce.

"Osservando le discrepanze del mondo reale tra la teoria e i nostri esperimenti a Z, siamo stati in grado di identificare i punti deboli nelle figure di opacità inserite nei modelli solari, " disse Taisuke Nagayama, autore principale dell'ultima pubblicazione dei gruppi Sandia in Lettere di revisione fisica .

La buona notizia è che le misurazioni sperimentali dell'opacità di Sandia possono aiutare a risolvere incruentamente una grande discrepanza nel modo in cui il modello solare standard ampiamente utilizzato utilizza la composizione del sole per prevedere il comportamento delle stelle.

Fino al 2005, la moltiplicazione da parte dell'SSM della quantità di ciascun elemento presente per la sua opacità spiegava la struttura della temperatura osservata del sole. Ma nuove osservazioni astrofisiche e una fisica più sofisticata hanno poi portato gli astronomi a rivedere le loro stime sulla composizione del sole. Sfortunatamente, queste nuove stime, inseriti nel modello e moltiplicati per le loro opacità, non tiene conto della temperatura del sole. C'erano tre possibilità:o le nuove osservazioni sulla composizione erano imprecise, o il venerato SSM si sbagliava, oppure le opacità degli elementi derivate teoricamente non erano corrette.

Gli esperimenti alla temperatura del sole forniscono risposte

La migliore risoluzione verrebbe chiaramente da esperimenti eseguiti alle stesse temperature di quelle che si trovano all'interno del sole.

Più di un decennio fa, I ricercatori di Sandia hanno iniziato a prendere pezzi di ferro, ciascuno più piccolo di un centesimo, e inserendoli nell'area bersaglio di Z. Quando Z ha sparato, il calore estremo ha cambiato il solido in plasma (un gas) come esiste nel sole, ma solo per nanosecondi. è stato abbastanza lungo, però, affinché i ricercatori inviino un'onda di energia attraverso ciascun campione e misurino la quantità ottenuta. L'idea era quella di creare, per la prima volta, misure derivate in laboratorio dell'opacità del ferro alla temperatura del sole per sapere se concordava con le cifre teoriche utilizzate nei calcoli del modello solare standard.

L'aumento dell'opacità del ferro nella misura dimostrata da Z in più esperimenti indipendenti ha rimosso circa la metà della discrepanza tra la temperatura solare calcolata e quella effettiva, ha detto Nagayama.

"Gli astronomi sono contenti di noi perché stiamo dicendo che sono le cifre di opacità che potrebbero essere sbagliate, " ha detto l'autore dell'articolo e ricercatore di Sandia Jim Bailey. "Quindi non devono inventare un nuovo modello e rifare tutti i loro calcoli usando il sole come punto di riferimento per prevedere l'evoluzione delle stelle".

Questo perché gli astronomi usano la composizione del sole come riferimento per l'universo.

"Ridurre del 50% la quantità di ossigeno nel sole equivale a dimezzare la quantità di acqua (H2O) nell'universo, " ha detto Bailey. "Ci sono molti esopianeti che orbitano attorno a stelle simili al sole; rivedere la comprensione del nostro sole avrebbe anche un impatto significativo sulla comprensione di quegli esopianeti.

"Agli astronomi piaceva di più la supposizione dell'opacità, ed è quello che abbiamo scoperto finora".

Una sorpresa metallica

Nella stessa prova, Sandia ha anche misurato le opacità di cromo e nichel nelle stesse condizioni utilizzate sul ferro. L'idea era di usare quegli elementi, rispettivamente più piccoli e più grandi del ferro, ma adiacente al ferro nella tavola periodica, come se il ferro venisse testato sempre più vicino al centro del sole. Sorprendentemente, quegli elementi hanno prodotto risultati sperimentali di opacità sostanzialmente in accordo con le previsioni del modello ad alcune energie dei fotoni. Ancora, differivano dalle previsioni di opacità a particolari lunghezze d'onda:ulteriore terreno per la revisione del modello.

"Il nostro lavoro negli ultimi cinque anni si è concentrato sulla risoluzione delle discrepanze, " ha detto Nagayama. "Eppure i nuovi risultati significano che potrebbe essere necessaria una nuova scienza per spiegarli."

Per spiegare i nuovi risultati sperimentali, i fisici stanno esaminando nuovi modelli. Uno, chiamata opacità a due fotoni, esplora l'idea che un elemento possa assorbire due fotoni alla volta invece di uno standard pensato.

"Se si considera questo assorbimento multi-fotone nel modello, migliorerebbe l'opacità del ferro calcolata e potrebbe risolvere la discrepanza, " Egli ha detto.

Se corretto, il nuovo modello fisico deve calcolare l'aumento di opacità solo per il ferro, poiché modello e dati concordano già per cromo e nichel.

Altre limitazioni sperimentali includono il fatto che si sa poco della struttura del sole all'interno di particolari distanze dal centro del sole.

"La discrepanza è peggiore se vai ancora più in profondità al sole?" chiese Nagayama. "Non lo sappiamo. Tutto dipende da cosa sta causando la discrepanza. Potremmo scoprire che la discrepanza è ancora peggiore nel nucleo solare, oppure il problema può essere isolato nella regione intorno a 0,7 raggi solari, la distanza che corrisponde alle energie a cui sono stati eseguiti questi esperimenti."

Rispondere a queste domande dovrebbe portare a un modello più accurato, Egli ha detto.

"Gli esperimenti di plasma caldo e denso sono abbastanza impegnativi da non escludere la possibilità di errori, " Ha detto Nagayama. "E l'impatto scientifico è enorme, questo ci obbliga a continuare a esaminare la validità dell'esperimento".