Поскольку эта роль намного больше, чем предполагалось ранее, новое, экспериментально полученное количество непрозрачности железа — по сути, его способность препятствовать переносу радиационной энергии, возникающей в реакциях ядерного синтеза глубоко внутри Солнца — помогает закрыть теоретический пробел в Стандартная модель Солнца, широко используемая астрофизиками в качестве основы для моделирования поведения звезд.«Наши данные, когда они вводятся в теоретическую модель, позволяют более точно согласовать ее прогнозы с физическими наблюдениями», — сказал ведущий исследователь Sandia Джим Бейли. Работа его команды появилась 1 января в журнале Nature.
Разрыв между моделью и наблюдениями возник в 2000 году, когда анализ спектров, исходящих от Солнца, вынудил ученых снизить свои оценки энергопоглощающих элементов, таких как кислород, азот и углерод, на 30-50 процентов.Уменьшение содержания означало, что затем модель предсказала, что энергия будет поступать к радиационному краю Солнца с большей готовностью, чем раньше. Это создало несоответствие между теоретической структурой звезды и ее измеренной структурой, которая основана на изменениях температуры и плотности в разных местах.Чтобы модель еще раз согласилась с наблюдениями, ученым нужен был способ уравновесить снижение сопротивления переносу излучения, вызванное уменьшением количества элементов.
Экспериментальная группа Бейли, в которую входили Тайсуке Нагаяма, Гийом Луазель и Грег Рошау, в кропотливых экспериментах, охватывающих 10-летний период, обнаружила, что широко используемая астрофизическая оценка зависящей от длины волны непрозрачности железа должна быть увеличена от 30 до 400 процентов. Эта разница не представляет большой неопределенности, а скорее отражает то, насколько непрозрачность железа зависит от длины волны излучения.«Это составляет примерно половину изменения средней непрозрачности, необходимой для решения солнечной проблемы, хотя железо является лишь одним из многих элементов, которые вносят свой вклад», — пишут авторы в своей статье.
Получить точные данные было сложно, так как «внутренность звезды — одно из самых загадочных мест во Вселенной», — сказал Бейли. «Он слишком непрозрачен, чтобы удаленные инструменты могли видеть внутри и анализировать внутри него реакции, и слишком жарко, чтобы послать в него зонд. Также было слишком сложно проводить тесты в соответствующих условиях в лаборатории.
Итак, физика, которая описывает, как атомы, встроенные в солнечную плазму, поглощают излучение, никогда не подвергались экспериментальным испытаниям, но этот процесс доминирует в том, как энергия, генерируемая ядерными реакциями внутри Солнца, переносится наружу.«К счастью, в наших экспериментах по Z мы можем создать условия температуры и плотности, почти такие же, как в области внутри Солнца, которая больше всего влияет на несоответствие — край зоны, где преобладает перенос радиационной энергии — в достаточно большом образце. , длится достаточно долго и достаточно однороден для тестирования.
Мы использовали эту новую возможность для измерения непрозрачности железа, одного из немногих элементов, играющих наиболее важную роль в передаче энергии излучения ».Железо важно, потому что из всех элементов, которыми изобилует Солнце, оно поддерживает наибольшее количество связанных электронов, необходимых для передачи энергии излучения, и, таким образом, оказывает большое влияние на результаты солнечных моделей.
Тем не менее, пересмотр в сторону увеличения непрозрачности как решение неизбежно будет спорным.«Что бы мы ни делали, мы не можем проводить измерения в различных условиях, которые нам необходимо знать», — сказал Нагаяма. «В наличии 20 элементов и большой диапазон температур и плотностей. Мы изучаем железо, потому что его сложную электронную структуру сложно представить в теориях непрозрачности. И это важно в физике Солнца.
Солнце — это испытательный стенд для моделирования других Звезды. Без экспериментальных испытаний мы не можем сказать, точны ли эти модели. В той мере, в какой мы не можем понять Солнце, тогда работа других звезд подвержена некоторой неопределенности ».
Аппарат Sandia Z создает температуру внутри Солнца — около 2,1 миллиона градусов — в мишени размером с песчинку. На основе этого небольшого образца Бейли мог сделать то, что теоретики не могут: держать в руке материальные доказательства того, как атомы железа ведут себя внутри звезд.
Конструкция мишени для недавних экспериментов включала смесь железа и магния, утрамбованную слоями пластика и бериллия с обеих сторон. Излучение, протекающее через образец, нагревает железо и магний, которые расширяются. Пластик сдерживает расширение, чтобы сделать его более однородным при измерениях непрозрачности.
Магний дает информацию о соответствующей плотности и температуре.Работа спонсировалась Национальным управлением ядерной безопасности и Управлением науки Министерства энергетики США.