對太陽光譜的新計算解決十年來的爭議性問題
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對太陽光譜的新計算解決十年來的爭議性問題
（神秘的地球uux.cn報道）據(jù)cnBeta：盡管我們的太陽比宇宙中的任何其他恒星都要近得多，但它仍有其神秘之處。陽光議性畢竟，新計它離地球還有9300萬英里（1.5億公里），算解而我們只有一個狹窄的決年視角。此外，問題再加上它的對太的爭表面熱得發(fā)燙--它的大氣層更熱，并且它不斷地以每小時約100萬英里的陽光議性速度噴射出粒子。這就難怪我們?nèi)祟惾詴行碌男掠嫲l(fā)現(xiàn)。
事實上，算解天文學(xué)家剛剛解決了長達十年的決年太陽豐度危機：從太陽振蕩（日光學(xué)）中確定的太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)跟從恒星演化基本理論中得出的結(jié)構(gòu)之間的沖突，而后者又依賴于對當(dāng)今太陽化學(xué)成分的問題測量。對太陽大氣物理學(xué)的對太的爭新計算產(chǎn)生了不同化學(xué)元素豐度的最新結(jié)果，從而解決了這一沖突。陽光議性值得注意的新計是，太陽比以前認為的含有更多的氧、硅和氖。所采用的方法也保證了對一般恒星的化學(xué)成分有更準(zhǔn)確的估計。
當(dāng)一種確定太陽化學(xué)成分的久經(jīng)考驗的方法似乎跟一種繪制太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新、精確的技術(shù)相抵觸時你該怎么辦呢？這就是研究太陽的天文學(xué)家所面臨的情況。現(xiàn)在，由Ekaterina Magg、Maria Bergemann及其同事發(fā)表的新計算結(jié)果解決了這一明顯的矛盾。
這方面久經(jīng)考驗的方法是光譜分析。為了確定太陽或其他任何恒星的化學(xué)成分，天文學(xué)家通常會求助于光譜：將光分解成不同波長的彩虹狀。恒星光譜包含明顯的、尖銳的暗線，這是由William Wollaston在1802年首次注意到、由Joseph von Fraunhofer在1814年重新發(fā)現(xiàn)并由Gustav Kirchhoff和Robert Bunsen在1860年代確定為表明特定化學(xué)元素存在的信號。
印度天體物理學(xué)家Meghnad Saha在1920年的開創(chuàng)性工作將這些“吸收線”的強度跟恒星的溫度和化學(xué)成分聯(lián)系起來，這為我們的恒星物理模型奠定了基礎(chǔ)。Cecilia Payne-Gaposchkin就通過這一基礎(chǔ)認識到像我們太陽這樣的恒星主要由氫和氦組成且只有微量的較重的化學(xué)元素。
從那時起，將光譜特征跟恒星等離子體的化學(xué)成分和物理學(xué)聯(lián)系在一起的基本計算為天體物理學(xué)帶來了至關(guān)重要的意義。它們是我們對宇宙的化學(xué)演變及恒星和系外行星的物理結(jié)構(gòu)和演變的理解取得長達一個世紀的進展的基礎(chǔ)。這就是當(dāng)新觀測數(shù)據(jù)變得可用并提供了對我們太陽內(nèi)部運作的洞察力時不同的拼圖碎片并不匹配的原因，而這讓人感到震驚。
太陽演化的現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)模型則是用2009年發(fā)表的一組著名的太陽大氣化學(xué)成分的測量數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)的。但在一些重要的細節(jié)上，基于該標(biāo)準(zhǔn)模型對恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重建跟另一組測量結(jié)果相矛盾：太陽地震數(shù)據(jù)，即非常精確地追蹤整個太陽的微小振蕩的測量結(jié)果--太陽以特有的模式有節(jié)奏地膨脹和收縮的方式，時間尺度在幾秒鐘和幾小時之間。
就像地震波為地質(zhì)學(xué)家提供了關(guān)于地球內(nèi)部的重要信息或像鐘聲編碼了關(guān)于其形狀和材料屬性的信息一樣，日光地震學(xué)提供了關(guān)于太陽內(nèi)部的信息。
高度精確的日震測量給出了關(guān)于太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)的結(jié)果，而這跟太陽標(biāo)準(zhǔn)模型相悖。根據(jù)日光地震學(xué)，我們太陽內(nèi)部所謂的對流區(qū)域即物質(zhì)上升并再次下沉就像沸騰的鍋里的水一樣，比標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的要大得多。靠近該區(qū)域底部的聲波速度也偏離了標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測，太陽中氦氣的總量也是如此。最重要的是，對太陽中微子的某些測量結(jié)果--這些轉(zhuǎn)瞬即逝的基本粒子，很難被探測到，直接從太陽的核心區(qū)域到達我們這里--跟實驗數(shù)據(jù)相比也存在輕微偏差。
天文學(xué)家們很快就有了他們“太陽豐度危機”，為了尋找出路，一些建議從不尋常到徹頭徹尾的奇異。太陽是否在其行星形成階段增加了一些貧金屬的氣體？能量是由不相互作用的暗物質(zhì)粒子運輸?shù)膯幔?br>Ekaterina Magg、Maria Bergemann及其同事最新發(fā)表的研究通過重新審視太陽化學(xué)成分的光譜估計所依據(jù)的模型成功地解決了這一危機。早期對恒星光譜如何產(chǎn)生的研究依賴于一種被稱為局部熱平衡的東西。他們假設(shè)，在一個恒星大氣層的每個區(qū)域，能量有時間擴散并達到一種平衡。這將使我們有可能給每個這樣的區(qū)域分配一個溫度，這給計算共偶作帶來了相當(dāng)大的簡化。
但早在20世紀50年代，天文學(xué)家就已經(jīng)意識到這種情況過于簡化了。從那時起，越來越多的研究納入了非LTE計算并放棄了局部平衡的假設(shè)。非LTE計算包括對能量如何在系統(tǒng)內(nèi)交換的詳細描述--原子被光子激發(fā)，或發(fā)生碰撞，光子被發(fā)射、吸收或散射。在恒星大氣層中，由于密度太低，無法讓系統(tǒng)達到熱平衡，這種對細節(jié)的關(guān)注會得到回報。在那里，非LTE計算產(chǎn)生的結(jié)果跟它們的局部平衡計算存在著明顯的不同。
馬克斯-普朗克天文學(xué)研究所的Maria Bergemann小組則是將非線性計算應(yīng)用于恒星大氣的世界領(lǐng)導(dǎo)者之一。作為她在該小組的博士工作的一部分，Ekaterina Magg開始更詳細地計算太陽光球中輻射物質(zhì)的相互作用。光球?qū)邮翘柎蟛糠止饩€的發(fā)源地，也是吸收線印在太陽光譜上的外層。
在這項研究中，他們追蹤了跟目前恒星如何隨時間演變的模型相關(guān)的所有化學(xué)元素，另外還應(yīng)用了多種獨立的方法來描述太陽原子和輻射場之間的相互作用以確保其結(jié)果是一致的。為了描述太陽的對流區(qū)域，他們使用了現(xiàn)有的模擬，這些模擬同時考慮到了等離子體的運動和輻射的物理學(xué)。為了與光譜測量進行比較，他們選擇了具有最高質(zhì)量的數(shù)據(jù)集：哥廷根大學(xué)天體和地球物理研究所發(fā)布的太陽光譜。Magg表示：“我們還廣泛地關(guān)注了對可能限制結(jié)果準(zhǔn)確性的統(tǒng)計和系統(tǒng)效應(yīng)的分析。”
新計算結(jié)果表明，這些關(guān)鍵化學(xué)元素的豐度和相應(yīng)光譜線的強度之間的關(guān)系跟以往研究人員所稱的存在很大不同。因此，從觀察到的太陽光譜中得出的化學(xué)豐度跟以前的分析中所說的有些不同。
“我們發(fā)現(xiàn)，根據(jù)我們的分析，太陽包含的比氦氣更重的元素比以前的研究推斷多26%，”Magg解釋道。在天文學(xué)中，這種比氦氣重的元素被稱為“金屬”。在太陽的所有原子核中，只有千分之一的數(shù)量是金屬；正是這個非常小的數(shù)字，現(xiàn)在已經(jīng)改變了26%的先前值。Magg補充道：“氧豐度的數(shù)值比以前的研究高出了近15%。”然而，新數(shù)值跟原始隕石的化學(xué)成分很一致，這些隕石被認為代表了非常早期太陽系的化學(xué)構(gòu)成。
當(dāng)這些新數(shù)值被用作當(dāng)前太陽結(jié)構(gòu)和演化模型的輸入時，這些模型的結(jié)果和日光地震測量之間令人困惑的差異就消失了。Magg、Bergemann和他們的同事對光譜線如何產(chǎn)生的深入分析并依靠對基礎(chǔ)物理學(xué)相當(dāng)完整的模型的依賴設(shè)法解決太陽豐度危機。
Maria Bergemann說道：“基于我們新的化學(xué)成分的新太陽模型比以往任何時候都更現(xiàn)實：它們產(chǎn)生的太陽模型跟我們擁有的關(guān)于太陽現(xiàn)今結(jié)構(gòu)的所有信息--聲波、中微子、光度和太陽半徑--相一致，但不需要太陽內(nèi)部的非標(biāo)準(zhǔn)的、奇異的物理學(xué)。”
作為一個額外的好處，新模型很容易應(yīng)用于太陽以外的恒星。在像SDSS-V和4MOST這樣的大規(guī)模調(diào)查正在為越來越多的恒星提供高質(zhì)量的光譜的時候，這種進展確實非常有價值--使未來的恒星化學(xué)分析以及它們對我們宇宙化學(xué)演化的重建的更廣泛影響比以往任何時候都要來得更堅實地立足。