Astronomowie rozwiązali zagadkę brakującego srebra na Słońcu

Od dekad astronomowie zmagali się z zagadką: dlaczego Słońce zawiera wyraźnie mniej srebra, niż wynikałoby z analizy pierwotnych meteorytów uformowanych z tej samej materii. Zespół z Uniwersytetu w Uppsali właśnie pokazał, że srebro nigdy nie zniknęło — po prostu dotychczasowe modele atmosfery słonecznej były zbyt uproszczone. Nowe obliczenia wskazują, że Słońce zawiera aż o 55 procent więcej srebra, niż dotąd szacowano.

Srebro jako kosmiczna kronika

Słońce, podobnie jak większość gwiazd, składa się niemal wyłącznie z wodoru i helu. Cięższe pierwiastki, takie jak węgiel, żelazo czy srebro, stanowią zaledwie 1,5 procent jego masy. Mimo znikomego udziału mają one ogromne znaczenie naukowe — powstają we wnętrzach gwiazd i podczas eksplozji supernowych, po czym trafiają do materii budującej kolejne pokolenia gwiazd i planet. Ich obfitość działa więc jak kopalny zapis historii chemicznej Galaktyki.

Ponieważ Słońce, planety i meteoryty uformowały się 4,6 miliarda lat temu z tej samej chmury gazu i pyłu, powinny mieć zbliżony skład chemiczny. Tymczasem pomiary od lat pokazywały, że nasza gwiazda ma znacząco mniej srebra niż pierwotne, chemicznie niezmienione od miliardów lat meteoryty. Ta rozbieżność była trudna do wyjaśnienia i traktowana jako jedna z drażliwych niespójności w modelach składu Słońca.

Dokładniejszy model atmosfery słonecznej

Ilość srebra na Słońcu wyznacza się metodą spektroskopową — analizując widmo światła słonecznego. Atomy w atmosferze gwiazdy pochłaniają promieniowanie o ściśle określonych długościach fal, tworząc ciemne linie absorpcyjne, swoisty odcisk palca danego pierwiastka. Aby przełożyć intensywność tych linii na konkretną ilość srebra, trzeba porównać je z modelem obliczeniowym atmosfery gwiazdy.

Wcześniejsze szacunki opierały się na modelach uproszczonych. Zespół kierowany przez Semę Caliskan, która prowadziła te badania w ramach doktoratu na Wydziale Fizyki i Astronomii Uniwersytetu w Uppsali, połączył dynamiczny, trójwymiarowy model zewnętrznych warstw Słońca z udoskonalonymi obliczeniami fizyki atomowej, dokładnie opisującymi sposób, w jaki atomy srebra oddziałują ze światłem i innymi cząstkami. Kluczową nowością było uwzględnienie efektów nierównowagowych — sytuacji, w której samo promieniowanie wpływa na te same atomy srebra, które tworzą obserwowane linie absorpcyjne. Wcześniejsze, prostsze modele tego zjawiska nie brały pod uwagę.

Dzięki naszemu nowemu modelowi mogliśmy dokładniej zinterpretować linie widmowe wykorzystywane do wyznaczania zawartości srebra na Słońcu — mówi Caliskan, która doktorat zaczynała od badań struktury atomów, a później zajęła się problemami astrofizyki gwiazdowej. Obliczenia wykonano na szwedzkim superkomputerze Tetralith w Krajowym Centrum Superkomputerowym Uniwersytetu w Linköping, łącząc kompetencje z zakresu fizyki gwiazd i modelowania atomowego.

Nowa wartość zawartości srebra na Słońcu jest znacznie bliższa tej mierzonej w pierwotnych meteorytach, co rozwiązuje wieloletni problem i wzmacnia teorię wspólnego pochodzenia chemicznego Słońca oraz materii Układu Słonecznego.

Co dalej: srebro w innych gwiazdach

Zdaniem badaczy nowa metoda ma znaczenie daleko wykraczające poza samo Słońce. Badając światło gwiazd różnych typów i w różnym wieku, chcemy zrozumieć, gdzie we Wszechświecie powstaje srebro i jak było ono rozprowadzane w Galaktyce na przestrzeni czasu — wyjaśnia Caliskan, która obecnie pracuje jako naukowiec po doktoracie na Uniwersytecie w Liège.

Zespół zapowiada zastosowanie tej samej metodyki do innych pierwiastków i innych gwiazd, co może pomóc w doprecyzowaniu map chemicznej ewolucji Galaktyki oraz w lepszym zrozumieniu, jak formowały się układy planetarne, w tym nasz własny. To przypomnienie, że część najważniejszych odkryć w astronomii nie wymaga nowych obserwacji — czasem wystarczy dokładniej przeanalizować dane, które mieliśmy pod ręką od dawna.

Źródła:

Główne:

• Uniwersytet w Uppsali, komunikat prasowy The Sun contains more silver than previously estimated,
• S. Caliskan, A. M. Amarsi, P. Jönsson, N. Grevesse, B. K. Sahoo, Ag I model atom and the 3D non-LTE solar silver abundance,

Kontekstowe:

• Phys.org, „Sun holds 55% more silver than estimated, new model reveals”
• Universe Today, „The Case of the Sun’s Missing Silver”

Opracowanie: Agnieszka Nowak