Überraschend anders: Unsere Sonne enthält mehr Sauerstoff, Silizium und Neon als bisher angenommen: Der Anteil aller schwereren Elemente ist sogar um 26 Prozent höher als bei aktuellen Modellen, wie Astronomen herausgefunden haben. Das wirft nicht nur neues Licht auf die Struktur und Zusammensetzung unseres Sterns, sondern die neuen Werte bringen auch Licht in einen seit Jahrzehnten rätselhaften Widerspruch zwischen Spektraldaten und heliosismologischen Messungen.
Mit der Spektralanalyse finden Astronomen heraus, aus welchen Elementen ein Stern wie unsere Sonne besteht: Die dunklen Linien des Lichtspektrum-Regenbogens verraten, wo Atome Teile der Strahlung absorbieren und was sie sind. 1920 entdeckten Astrophysiker zudem, dass die Stärke dieser Spektrallinien auch Rückschlüsse auf Temperaturen an ihrer Quelle zuließ. Seitdem bildet das Sonnenspektrum eine wichtige Grundlage für Modelle zum Aufbau und zur Entwicklung der Sonne und anderer Sterne.
Die dünnen dunklen Linien des Spektrums der Sonne verraten ihren Elementgehalt © M. Bergemann / MPIA / NARVAL @ TBL
Beunruhigende Diskrepanz
Umso schockierender war es, als Astronomen vor einigen Jahren feststellten, dass diese Daten und Modelle nicht mit den Ergebnissen der Heliosismologie übereinstimmten. Bei dieser relativ neuen Messmethode ziehen Forscher aus winzigen Schwingungen der Sonne und ihrer Oberfläche Rückschlüsse auf die Vorgänge und Zusammensetzung im Inneren. Allerdings weichen heliosismologische Beobachtungen an einigen entscheidenden Punkten von denen konventioneller Modelle ab, die auf Spektraldaten basieren.
Eine der Diskrepanzen besteht darin, dass die durch die Konvektionsströme gebildete Sonnenschicht viel größer sein muss, als die Modelle vorhersagen. Auch die Geschwindigkeit der Schallwellen am Boden der Konvektionszone, die Gesamtmenge an Helium und die Freisetzung solarer Neutrinos zeigen deutliche Abweichungen von den Spektralmodellen. Seit Jahren haben Astronomen diese grundlegende Diskrepanz entdeckt und diskutiert, die als „Krise des solaren Überflusses“ bezeichnet wird.
Wie lässt sich dieser Widerspruch zwischen zwei grundlegenden und etablierten Methoden der Sonnenforschung erklären? Einige Forscher haben recht exotische Hypothesen aufgestellt, wonach unser Stern in seinen Anfängen metallarmes Gas geschluckt haben soll oder dass sich dunkle Materie im Inneren der Sonne verbirgt.
Neubewertung des Sonnenspektrums
Astronomen um Ekaterina Magg vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg haben jedoch einen anderen Ansatz gewählt. Bislang gehen spektraldatenbasierte Modelle hauptsächlich von einem lokalen thermischen Gleichgewicht (LTE) im Inneren der Sonne aus. Danach erreicht die Energie in jeder Zone der Sternatmosphäre ein Gleichgewicht, das die lokale Temperatur bestimmt. Jüngste Daten deuten jedoch darauf hin, dass dieses thermische Gleichgewicht in vielen Sternatmosphären nicht erreicht wird; daher ist das Modell zu vereinfacht.
Daher verwendeten Magg und sein Team hochauflösende Sonnenspektrumdaten, um die Wechselwirkung von Strahlung und Materie in der solaren Photosphäre mit sogenannten Nicht-LTE-Berechnungen genauer zu berechnen. Aus diesen Berechnungen bestimmten sie den Zusammenhang zwischen der Stärke der Spektrallinien und der Häufigkeit des entsprechenden Elements neu und erhielten so neue Daten zur chemischen Zusammensetzung der Sonne.
Die Sonne ist reicher an Metall als erwartet
Das überraschende Ergebnis: Die neuen Ergebnisse weichen bei einigen wichtigen Elementen deutlich von den aktuellen Modellen ab. Offenbar enthält die Sonne mehr Sauerstoff, Silizium und Neon als bisher angenommen. „Der Wert der Sauerstoffhäufigkeit war fast 15 Prozent höher als in früheren Studien“, berichtet Magg. Generell ist der Anteil der Elemente, die schwerer als Helium sind, in der Sonne sogar um 26 Prozent höher als bisher angenommen; Daher ist die Sonne reicher an Metall als die vorherigen Annahmen.
Noch wichtiger ist, dass diese neuen Werte die “Solare Abundanzkrise” lösen: Durch das Einfügen der Werte des Spektralelements in die Modelle der Struktur und Entwicklung der Sonne verschwindet die beunruhigende Diskrepanz mit den heliosmischen Messungen. „Dies ist das erste Mal, dass Standard-Sonnenmodelle, die auf spektroskopischen Ergebnissen basieren, die innere Struktur der Sonne reproduzieren können, die mit heliosismologischen Techniken bestimmt wurde“, sagt das Forschungsteam.
Weg zu besseren Solarmodellen
Somit ebnet die Studie den Weg für neue Modelle der Sonne und der Sternstruktur, die mit spektralen und heliosismologischen Beobachtungen kompatibel sind. „Die neuen Sonnenmodelle, die auf den von uns ermittelten neuen chemischen Zusammensetzungswerten basieren, sind realistischer denn je: Sie ergeben ein Modell der Sonne, das mit allen Informationen kompatibel ist, die wir über die Struktur der aktuellen Sonne haben. , Neutrinos, Leuchtkraft und Sonnenstrahlung, ohne auf exotische Physik in der Sonne zurückgreifen zu müssen“, sagt Maggs Kollegin Maria Bergemann.
Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die neuen Modelle auch besser auf andere Sterne als die Sonne anwenden lassen. Dies stellt künftige Analysen der Sternchemie und damit Rekonstruktionen der chemischen Evolution unseres Kosmos auf eine solidere Basis denn je. (Astronomie und Astrophysik, 2022; doi: 10.1051/0004-6361/202142971)
Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie
25. Mai 2022
– Nadja Podbregar