Het achterhalen van de samenstelling van onze ster is cruciaal om het hele universum te begrijpen
De zon is voornamelijk gemaakt van waterstof en helium en heeft ook zwaardere elementen zoals koolstof en stikstof. Maar wetenschappers zijn het er niet over eens hoeveel van die zwaardere elementen er zijn.
Na twee decennia van debat komen wetenschappers steeds dichter bij het uitzoeken waar de zon – en dus het hele universum – precies van is gemaakt.
De zon bestaat grotendeels uit waterstof en helium. Er zijn ook zwaardere elementen zoals zuurstof en koolstof, maar hoeveel is controversieel. Nieuwe waarnemingen van spookachtige subatomaire deeltjes die bekend staan als neutrino’s suggereren dat de zon heeft een ruime voorraad “metalen”, de term die astronomen gebruiken voor alle elementen zwaarder dan waterstof en helium, rapporteren onderzoekers 31 mei op arXiv.org.
De resultaten “zijn volledig compatibel met” [a] hoge metalliciteit” voor de zon, zegt Livia Ludhova, een natuurkundige aan het onderzoekscentrum Jülich in Duitsland.
Elementen die zwaarder zijn dan waterstof en helium zijn cruciaal voor het creëren van ijzersterke planeten zoals de aarde en het in stand houden van levensvormen zoals mensen. Veruit de meest voorkomende van deze elementen in het heelal is zuurstof, gevolgd door koolstof, neon en stikstof.
Maar astronomen weten niet precies hoeveel van deze elementen er bestaan ten opzichte van waterstof, het meest voorkomende element in de kosmos. Dat komt omdat astronomen de zon doorgaans gebruiken als referentiepunt om de elementaire abundanties in andere sterren en sterrenstelsels te meten, en twee technieken impliceren zeer verschillende chemische samenstellingen voor onze ster.
Eén techniek maakt gebruik van trillingen in de zon om de interne structuur af te leiden en bevordert een hoog metaalgehalte. De tweede techniek bepaalt de samenstelling van de zon op basis van hoe atomen op het oppervlak bepaalde golflengten van licht absorberen. Twee decennia geleden, een gebruik van deze tweede techniek suggereerde dat de zuurstof-, koolstof-, neon- en stikstofniveaus in de zon 26 tot 42 procent lager waren dan een eerdere vaststelling gevondenwaardoor het huidige conflict ontstaat.
Er is nu een andere techniek opgedoken die het al lang bestaande debat zou kunnen beslissen: het gebruik van zonne-neutrino’s.
Deze deeltjes ontstaan door kernreacties in de kern van de zon die waterstof in helium veranderen. Ongeveer 1 procent van de energie van de zon komt van reacties waarbij koolstof, stikstof en zuurstof betrokken zijn, die waterstof omzetten in helium, maar daarbij niet opgebruiken. Dus hoe meer koolstof, stikstof en zuurstof de zon eigenlijk heeft, hoe meer neutrino’s deze CNO-cyclus zou moeten uitstoten.
In 2020 kondigden wetenschappers aan dat Borexino, een ondergrondse detector in Italië, deze CNO-neutrino’s had opgemerkt (SN: 6/24/20). Nu hebben Ludhova en haar collega’s genoeg neutrino’s geregistreerd om te berekenen dat koolstof- en stikstofatomen samen ongeveer 0,06 procent zo overvloedig zijn als waterstofatomen in de zon – het eerste gebruik van neutrino’s om de samenstelling van de zon te bepalen.
En hoewel dat aantal klein klinkt, is het zelfs hoger dan de voorkeur van astronomen die een hoogmetalen zon ondersteunen. En het is 70 procent groter dan het aantal dat een laag-metalen zon zou moeten hebben.
“Dit is een geweldig resultaat”, zegt Marc Pinsonneault, een astronoom aan de Ohio State University in Columbus, die al lang pleit voor een hoogmetalen zon. “Ze hebben robuust kunnen aantonen dat de huidige oplossing met een laag metaalgehalte niet consistent is met de gegevens.”
Maar vanwege onzekerheden in zowel de waargenomen als de voorspelde neutrino-aantallen, kan Borexino een laag-metalen zon niet volledig uitsluiten, zegt Ludhova.
Het nieuwe werk is “een aanzienlijke verbetering”, zegt Gaël Buldgen, een astrofysicus aan de Universiteit van Genève in Zwitserland die voorstander is van een laag-metalen zon. Maar de voorspelde aantallen CNO-neutrino’s zijn afkomstig van modellen van de zon die hij bekritiseert als te vereenvoudigd. Die modellen verwaarlozen de draaiing van de zon, wat kan leiden tot vermenging van chemische elementen gedurende zijn leven en de hoeveelheid koolstof, stikstof en zuurstof in de buurt van het centrum van de zon kan veranderen, waardoor het voorspelde aantal CNO-neutrino’s verandert, zegt Buldgen.
Aanvullende neutrino-waarnemingen zijn nodig voor een definitief oordeel, zegt Ludhova. Borexino stopte in 2021, maar toekomstige experimenten zouden de leegte kunnen opvullen.
De inzet is hoog. “We maken ruzie over waaruit het universum bestaat”, zegt Pinsonneault, omdat “de zon de maatstaf is voor al onze onderzoeken.”
Dus als de zon veel meer koolstof, stikstof en zuurstof bevat dan nu wordt gedacht, dan heeft het hele universum dat ook. “Dat verandert ons begrip over hoe de chemische elementen worden gemaakt. Het verandert ons begrip van hoe sterren evolueren en hoe ze leven en sterven”, zegt Pinsonneault. En, voegt hij eraan toe, het is een herinnering dat zelfs de best bestudeerde ster – onze zon – nog steeds geheimen heeft.
