De wereld zit vol met mysteries, maar ze zijn niet allemaal groots. Natuurlijk, we weten niet wat de geest echt is of hoe de binnenkant van een zwart gat eruit ziet. Maar er zijn ook veel mysteries die zich verstoppen in de kleine details.
We weten bijvoorbeeld niet waarom ijzer in de zon zo ondoorzichtig is.
Solide ijzeren objecten zijn overal om ons heen. Ze worden gebruikt om deurknoppen, kookgerei, meubels, watertanks te maken – allerlei dingen. En ze zijn allemaal ondoorzichtig. Wanneer licht een ijzeren object raakt, kan het niet doorgaan. In plaats daarvan wordt een deel ervan geabsorbeerd en is een deel ervan verspreid. Hoeveel licht een object absorbeert, wordt zijn dekking genoemd: hoe meer het absorbeert, hoe ondoorzichtig het is.
De dekking van Iron is geen belangrijk detail bij het maken van een deurknop, maar als we het over de zon hebben, zijn de implicaties praktisch kosmisch.
De motoren van het universum
De zon is de ster die het dichtst bij de aarde staat en dus hebben de mensen het meest bestudeerd. Veel van wat we weten, of denken dat we weten, over verschillende soorten sterren komt van het bestuderen van de zon.
Dit geldt op twee niveaus. Ten eerste: wetenschappers hebben verschillende theorieën ontwikkeld om de eigenschappen van de zon te verklaren. Gedurende vele decennia wezen ze op telescopen, detectoren en antennes op emissies van de ster om elektromagnetische straling, geladen deeltjes, warmte, enz. Te vangen en de gegevens te vergelijken met elke theorie. Vervolgens elimineerden ze theorieën die het niet eens waren met de gegevens en verfijnden degenen die dat deden.
Op het tweede niveau is de zon slechts één soort ster; Het universum heeft veel soorten. Om hun eigenschappen te begrijpen, gebruikten wetenschappers de theorieën om modellen te bouwen die ze ‘simuleren’. Deze eigenschappen omvatten het genereren van warmte en energie en hun beweging door de ster, het magnetische veld van de ster, zijn rotatie en aardbevingen op het oppervlak, de evolutie van de stellaire atmosfeer, de vorming van zonnevlekken en fakkels en de effecten van deze veranderingen op de nabije sterrenruimte.
Sterren zijn de motoren van het universum: we kunnen het universum niet begrijpen als we niet begrijpen hoe sterren werken. Wanneer sterren ontstaan, laten ze zich planeten om zich heen vormen, die ze vervolgens leveren van licht, hart en een beschermend magnetisch schild. (Soms leveren ze te veel of te weinig: wetenschappers hebben meer dan een paar exoplaneten gevonden die zijn gebakken door hun gaststerren of veranderden in gigantische ijsballen.)
Hun massa buigt asteroïden en kometen af, en hun fakkels stimuleren nabijgelegen gaswolken en vergroten de vorming van andere sterren. Wanneer een ster sterft, afhankelijk van zijn manier van overlijden, geeft deze overvloedige hoeveelheden metalen en andere elementen af in het universum die niet in een ander natuurlijk proces worden gemaakt.
Deze verscheidenheid aan effecten betekent dat de eigenschappen van sterren de vorming van sterrenclusters, sterrenstelsels, de structuur van het universum en de evolutie ervan beïnvloeden. Wetenschappelijke modellen kunnen aldus al deze dingen simuleren als ze de eigenschappen van de sterren goed hebben, en hierin ligt de wrijf.
Tot 400% hoger
Een reeks onafhankelijke studies tot het midden van de 2010 meldde dat er 30-50% minder koolstof, zuurstof en stikstof in de zon leek te zijn dan wat modellen voorspelden.
Deze modellen zijn niet eenvoudig te tweaken met nieuwe gegevens. Ze hebben enkele dingen met succes kunnen voorspellen, zoals de huidige helderheid van de zon en hoeveel neutrino’s nucleaire fusie in de kern van de zon elke seconde produceert. De modellen zijn ook zo ingewikkeld geworden dat ze alleen op de krachtigste supercomputers kunnen draaien. Toen ze geconfronteerd werden met de discrepantie, vermoedden modellers dat ze te wijten waren aan problemen in de manier waarop de overvloed aan de elementen werden gemeten. Als de metingen worden verbeterd, kunnen de discrepantie verdwijnen, zeiden ze.
Maar een opmerkelijk onderzoek gepubliceerd in 2015 was het daar niet mee eens: de auteurs schreven dat de discrepantie “kon worden opgelost als de ware gemiddelde dekking voor de interieur van de zon ongeveer 15% hoger was dan voorspeld”.
Hoeveel energie een element absorbeert in de ster beïnvloedt het temperatuurprofiel van de ster. De auteurs suggereerden dus de gegevens van de modellen over de dekking van elementen in de zon waren uitgeschakeld. Om hun argument te ondersteunen, onderwierpen ze een plasma dat ijzer bevat aan de verwachte omstandigheden bij de grens van de straling/convectiezone van de ster, een laag van ongeveer 30% van het oppervlak naar het midden. Ze rapporteerden dat, afhankelijk van de frequentie van straling die het opviel, de dekking van ijzer 30-400% hoger bleek te zijn dan voorspeld.
Donker van de schaduw
Daaropvolgende studies bevestigden de kern van deze bevindingen: dat modellen de dekking van ijzer onderschatten. In een studie gepubliceerd op 27 januari van dit jaar, rapporteerden wetenschappers ‘dekkingsprofielen’ van verschillende elementen afgeleid van helioseismische conclusies, dwz gebaseerd op de verspreiding van geluid in de zon. Ze schreven: “We zien dat onze seismische opaciteit ongeveer 10% hoger is dan theoretische waarden die worden gebruikt in huidige zonnemodellen rond 2 miljoen graden, maar lager met 35% dan sommige recente beschikbare theoretische waarden.”
Maar onderzoekers die op modellen stonden-die gebaseerd waren op hun theorieën-moesten nog steeds zeker zijn of onzekerheden in de metingen van de tijdafhankelijke eigenschappen van het plasma in deze studies de discrepantie konden verklaren.
In een studie gepubliceerd op 3 maart in Fysieke beoordelingsbrievenonderzoekers uit de VS en Frankrijk meldden dat ze deze vraag op de test hadden gesteld en concludeerden dat het probleem inderdaad in de theorie was, niet in de waargenomen gegevens.
Bij Sandia National Laboratories in de VS stelde het team een dun monster van ijzer bloot aan röntgenfoto’s en puntige spectrometers bij de röntgenbron. De spectrometers zagen de röntgenschaduw die door het ijzeren monster werd gegoten. Het team heeft ook de spectrometers gekoppeld aan ultrasnelle röntgencamera’s die veranderingen in temperatuur en deeltjesdichtheid meer dan een miljard keer per seconde registreerden.
Het team schreef in zijn artikel: “Onze nieuwe metingen gebruiken een nieuwe technologie om de evolutie van de sample-evolutie van dekking te meten … Deze metingen kwantificeren de impact van temporele gradiënten op gepubliceerde film-geïntegreerde gegevens en is in tegenspraak met de hypothese dat de tijdelijke evolutie de gepubliceerde model-data-discrepantie zou kunnen verklaren.”
‘Veel meer vereisten’
De uitdagingen van de studie waren niet triviaal. Het meten van dekking in zonachtige omstandigheden vereist technologieën die tot voor kort niet bestonden. Om de omstandigheden in de zon na te bootsen, moeten de elektronen in een plasma worden bekrachtigd tot ten minste 180 eV, terwijl hun dichtheid meer dan 30.000 miljard miljard deeltjes per milliliter overschrijdt. De energie kwam van de röntgenbron in Sandia.
Het dunne ijzeren monster bevatte ook een kleine hoeveelheid magnesium als tracer. De interactie van het magnesium met de röntgenfoto’s, zoals waargenomen op de spectrometer, stelde het team in staat om de energie en dichtheid van de elektronen te berekenen.
Het team concludeerde de dekking van Iron naar de röntgenfoto’s op basis van hoe sterk het de straling absorbeerde. Hoe sterker het deed, hoe donkerder de schaduw die het zou werpen in de spectrometerwaarden. Deze ‘duisternis’ wordt de optische diepte van de lijn genoemd.
Het artikel voegde eraan toe: “De ultieme benadering voor het oplossen van de model-data-discrepantie omvat het meten van ijzeropaciteit als een functie van de tijd. Dat moet echter voldoen aan veel meer vereisten, waaronder absolute transmissiemetingen, in plaats van de hier gerapporteerde lijn optische diepte, en formele onzekerheidsbepaling, terwijl het meten van plasma-omstandigheden.”
“Een dergelijke absolute opaciteitsbenadering wordt momenteel onderzocht,” voegde het team eraan toe.
Gepubliceerd – 20 maart 2025 05:30 AM IST
