“我只想做你的太阳”

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Gaviota，原文标题：《太阳的这一危机被解决了》，题图来自：《太空旅客》

当一种确定太阳化学成分的久经考验的方法，似乎与一种绘制太阳内部结构创新而精确的技术带来了相互矛盾的结果时，该怎么办？

这就是十数年来研究太阳的天文学家所面临的情况，他们称之为太阳丰度危机。换句话说，由太阳振荡（日震学）推断出的太阳内部特征，与由化学组成的测量加上恒星演化基本理论得出的结论之间，出现了明显的差异。

直到近期，一组研究团队发表的最新计算结果，解决了这个长久以来的问题。他们对太阳大气的重新计算，得出了不同化学元素丰度的最新结果。更有意思的是，太阳比先前认为的含有更多氧、硅和氖。这种方法也保证了对恒星的化学成分能有更准确的估计。

久经考验的方法：光谱分析   

为了确定太阳或者其他任何一颗恒星的化学成分，天文学家通常会求助于光谱，光谱会将光分解成不同的波长，就像彩虹一样。

恒星光谱包含一些明显而尖锐的暗线。1802年，威廉·沃拉斯顿首次注意到了这种现象。十几年后，1814年，著名物理学家约瑟夫·冯·夫琅禾费重新发现了它。到了19世纪60年代，古斯塔夫·基尔霍夫和罗伯特·本生发现，不同的暗线正是暗示某些特定的化学元素存在的关键信号。

20世纪20年代，梅格纳德·萨哈的开创性研究，将这些吸收线的强度与恒星的温度和化学成分联系在了一起，这为恒星的物理模型奠定了基础。正是基于萨哈的研究，天体物理学家塞西莉亚·佩恩-加波施金认识到，像太阳这样的恒星主要由氢和氦组成，除此之外只有微量的更重的化学元素。

从那时起，将光谱特征与恒星等离子体的化学成分和物理学联系在一起的基本计算，就成了我们理解恒星和行星的结构演化，甚至宇宙化学演化的基础。

太阳光谱。图中包含了明显的暗线，根据这些吸收线的性质，天文学家可以推断出恒星的温度和化学组成。（图／M. Bergemann， MPIA， NARVAL@TBL）

2009年，借助当时最先进的观测，科学家得到了一套对太阳大气化学成分的测量数据。天文学家用这套著名的数据校准了太阳演化的现代标准模型。但这只是故事的一半，也是问题的开端。

精确的结构测量：日震数据  

太阳会以特征的模式有节奏地膨胀和收缩，日震数据则非常精确地追踪了这种太阳整体的微小振荡，时间尺度在几秒钟到几小时之间。

我们都知道，地震波为地质学家提供了关于地球内部的重要信息，如果敲响一个铃铛，它的声响中同样编码着关于它的形状和材料属性的信息。类似的，日震学同样提供了关于太阳内部的信息，精确的日震测量可以带来太阳内部特征的数据。

但问题在于，日震学的结果与太阳标准模型做出的预测出现了明显不同。

根据日震学，太阳内部所谓的对流区，也就是物质像煮沸的水一样上升并再次下沉的区域，比标准模型预测的要大得多。靠近那片区域底部的声波速度同样偏离了标准模型的预测。两者对太阳中氦的总量结论也不相同。除此之外，对太阳中一种转瞬即逝、难以捉摸的基本粒子，也就是中微子的某些测量结果，也出现了轻微偏差。

太阳丰度危机由此显现。

解决危机  

为了解决这个问题，一些天文学家甚至尝试提出了完全颠覆性的理论假说，比如有研究试图找到它和“臭名昭著”的暗物质粒子的关系。

但在这项最新发表的研究中，团队追根溯源，重新审视了太阳化学成分的光谱估计所依据的模型，成功地化解了这一危机。

早期对恒星光谱如何产生的研究依赖于局域热平衡（LTE）。这些研究假设，在恒星大气的每一片区域，能量都有时间扩散并达到一种平衡。这让科学家可以为每片区域分配一个温度，计算就得到了明显简化。

但早在20世纪50年代，天文学家已经意识到，这种情况过于简化了。从那时起，越来越多的研究纳入了所谓的非LTE计算，而放弃了局域平衡的假设。

非LTE计算包括了对能量如何在系统内交换的详细描述，比如原子被光子激发或发生碰撞，光子被发射、吸收或散射。恒星大气的密度过低，实际上无法让系统达到热平衡，纳入这些细节非常重要。非LTE计算带来的结果与局域平衡计算会有明显不同。

正是在LTE计算的框架内，团队开始更详细地考虑太阳光球中辐射物质的相互作用。在新研究中，他们追踪了与目前恒星如何随时间演化的模型相关的所有化学元素，并应用多种独立的方法来描述太阳原子和辐射场之间的相互作用，从而确保结果的一致性。

为了描述太阳的对流区，他们使用了现有的模拟，这些模拟同时考虑到了等离子体的运动和辐射的物理学。为了与光谱测量进行比较，他们还选择了目前质量最高的太阳光谱数据集之一。

有了这些严谨的细节保证，新的计算结果表明，一些关键化学元素的丰度和相应光谱线的强度之间的关系，与先前研究认为的有很大差异。因此，从观测到的太阳光谱中得出的化学丰度，实际上与以往分析有所不同。

根据新的分析，太阳包含的比氦更重的元素，比先前推断的要多26%。在天文学中，这种比氦更重的元素被称为金属。在太阳中所有原子核中，只有1%的1‰是金属。正是这个非常非常小的数字，带来了26%的差距。此外，氧丰度的值比先前研究的量高出了近15%。

但是，新的数值与原始陨石（CI球粒陨石）的化学成分很一致，这些陨石被认为代表了非常早期太阳系的化学构成。

当这些新的结果被输入当前的太阳结构和演化模型时，模型得到的结果和日震测量之间的差距便自然消失了。

更新的太阳模型  

研究人员表示，基于新的化学成分的更新太阳模型，比之前任何模型都更贴近现实。这种太阳模型与目前拥有的关于太阳结构的所有信息都一致，包括声波、中微子、光度和太阳半径。这说明，我们暂时还不需要那些“更奇异”的物理学来解释太阳。

新研究还带来了更大的好处，它能让我们将模型应用在其他恒星的化学分析中。未来，更多研究会带来越来越多高质量的恒星光谱，这也能推动对宇宙化学演化更深刻的了解。

#参考来源：

https://www.mpg.de/18652392/new-calculations-of-solar-spectrum-resolve-decade-long-controversy-about-the-sun-s-chemical-composition

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Gaviota