Nach zwei Jahrzehnten der Debatte kommen Wissenschaftler dem Verständnis, woraus die Sonne und damit das gesamte Universum besteht, immer näher.
Die Sonne besteht hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium. Es gibt auch schwerere Elemente wie Sauerstoff und Kohlenstoff, aber wie viel ist umstritten. Neue Beobachtungen spektraler subatomarer Teilchen, die als Neutrinos bekannt sind, legen dies nahe die Sonne hat einen großen Vorrat an „Metallen“, der Begriff, den Astronomen für alle Elemente verwenden, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind, berichten Forscher am 31. Mai auf arXiv.org.
Die Ergebnisse „sind voll kompatibel mit [a] hohe Metallizität “für die Sonne, sagt Livia Ludhova, Physikerin am Forschungszentrum Jülich in Deutschland.
Elemente, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind, sind entscheidend für die Erschaffung von Stein-Eisen-Planeten wie der Erde und die Unterstützung von Lebensformen wie Menschen. Das mit Abstand häufigste dieser Elemente im Universum ist Sauerstoff, gefolgt von Kohlenstoff, Neon und Stickstoff.
Aber Astronomen wissen nicht genau, wie viele dieser Elemente im Vergleich zu Wasserstoff, dem häufigsten Element im Kosmos, existieren. Dies liegt daran, dass Astronomen normalerweise die Sonne als Bezugspunkt für die Messung der Elementhäufigkeiten in anderen Sternen und Galaxien verwenden und zwei Techniken sehr unterschiedliche chemische Zusammensetzungen für unseren Stern beinhalten.
Eine Technik nutzt die Vibrationen im Inneren der Sonne, um ihre innere Struktur abzuleiten, und bevorzugt einen hohen Metallgehalt. Die zweite Methode bestimmt die Zusammensetzung der Sonne anhand der Art und Weise, wie die Atome auf ihrer Oberfläche bestimmte Wellenlängen des Lichts absorbieren. Vor zwei Jahrzehnten eine Verwendung dieser zweiten Technik schlugen vor, dass die Sauerstoff-, Kohlenstoff-, Neon- und Stickstoffwerte in der Sonne um 26 bis 42 Prozent niedriger waren als diese fand eine frühere Bestimmungden aktuellen Konflikt zu schaffen.
Nun ist eine weitere Technik aufgetaucht, die die langjährige Debatte entscheiden könnte: die Nutzung solarer Neutrinos.
Diese Teilchen entstehen durch Kernreaktionen im Kern der Sonne, die Wasserstoff in Helium umwandeln. Etwa 1 % der Sonnenenergie stammt aus Reaktionen mit Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff, die Wasserstoff in Helium umwandeln, dabei aber nicht verbraucht werden. Je mehr Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff die Sonne tatsächlich hat, desto mehr Neutrinos sollte dieser CNO-Zyklus emittieren.
Im Jahr 2020 gaben Wissenschaftler bekannt, dass Borexino, ein unterirdischer Detektor in Italien, diese CNO-Neutrinos entdeckt hatte (SN: 24.06.20). Jetzt haben Ludhova und seine Kollegen genügend Neutrinos aufgezeichnet, um zu berechnen, dass Kohlenstoff- und Stickstoffatome zusammen etwa 0,06 Prozent häufiger vorkommen als Wasserstoffatome in der Sonne, die erste Verwendung von Neutrinos zur Bestimmung der Zusammensetzung der Sonne.
Und obwohl diese Zahl klein klingt, ist sie sogar höher als die, die von Astronomen bevorzugt wird, die eine Sonne mit hohem Metallgehalt unterstützen. Und das ist 70 Prozent mehr als die Zahl, die eine metallarme Sonne haben sollte.
„Das ist ein sehr gutes Ergebnis“, sagt Marc Pinsonneault, ein Astronom an der Ohio State University in Columbus, der seit langem eine metallreiche Sonne unterstützt. „Sie konnten solide nachweisen, dass die aktuelle Lösung mit geringer Metallizität nicht mit den Daten übereinstimmt.“
Aufgrund von Unsicherheiten sowohl bei den beobachteten als auch bei den vorhergesagten Neutrinozahlen kann Borexino eine metallarme Sonne jedoch nicht vollständig ausschließen, sagt Ludhova.
Die neue Arbeit ist „eine deutliche Verbesserung“, sagt Gaël Buldgen, ein Astrophysiker an der Universität Genf in der Schweiz, der eine metallarme Sonne bevorzugt. Aber die vorhergesagten Zahlen von CNO-Neutrinos stammen von Modellen der Sonne, die er als zu stark vereinfacht kritisiert. Diese Modelle vernachlässigen die Rotation der Sonne, die eine Vermischung chemischer Elemente während ihrer Lebensdauer induzieren und die Menge an Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff in der Nähe des Sonnenzentrums verändern könnte, wodurch sich die vorhergesagte Anzahl von CNO-Neutrinos ändert, sagt Buldgen.
Weitere Beobachtungen zu Neutrinos seien für ein endgültiges Urteil erforderlich, sagt Ludhova. Borexino wurde 2021 geschlossen, aber zukünftige Experimente könnten die Lücke füllen.
Es geht um viel. „Wir diskutieren, woraus das Universum besteht“, sagt Pinsonneault, denn „die Sonne ist der Bezugspunkt für all unsere Studien.“
Wenn also die Sonne viel mehr Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff enthält, als derzeit angenommen wird, hat dies auch das gesamte Universum. „Das verändert unser Verständnis davon, wie Chemikalien hergestellt werden. Es verändert unser Verständnis davon, wie sich Sterne entwickeln und wie sie leben und sterben “, sagt Pinsonneault. Und fügt hinzu, es erinnert uns daran, dass selbst der am besten untersuchte Stern, unsere Sonne, immer noch Geheimnisse hat.