Neutrinii dau de înțeles că soarele are mai mult carbon și azot decât se credea până acum

După două decenii de dezbateri, oamenii de știință sunt tot mai aproape de a afla exact din ce este alcătuit soarele – și, prin urmare, întregul univers.

Soarele este compus în cea mai mare parte din hidrogen și heliu. Există, de asemenea, elemente mai grele, cum ar fi oxigenul și carbonul, dar cât de mult este controversat. Noile observații ale unor particule subatomice fantomatice cunoscute sub numele de neutrini sugerează că soarele are o rezervă amplă de „metale”, termenul pe care astronomii îl folosesc pentru toate elementele mai grele decât hidrogenul și heliul, raportează cercetătorii pe 31 mai la arXiv.org.

Rezultatele „sunt pe deplin compatibile cu [a] metalicitate ridicată” pentru Soare, spune Livia Ludhova, fizician la Centrul de Cercetare Jülich din Germania.

Elementele mai grele decât hidrogenul și heliul sunt cruciale pentru crearea planetelor de fier-rocă precum Pământul și pentru susținerea formelor de viață precum oamenii. De departe, cel mai abundent dintre aceste elemente din univers este oxigenul, urmat de carbon, neon și azot.

Dar astronomii nu știu exact cât de mult există din aceste elemente în raport cu hidrogenul, cel mai comun element din cosmos. Acest lucru se datorează faptului că astronomii folosesc de obicei soarele ca punct de referință pentru a evalua abundența elementelor în alte stele și galaxii, iar două tehnici implică compoziții chimice foarte diferite pentru steaua noastră.

O tehnică exploatează vibrațiile din interiorul soarelui pentru a deduce structura sa internă și favorizează un conținut ridicat de metale. A doua tehnică determină compoziția soarelui din modul în care atomii de pe suprafața sa absorb anumite lungimi de undă ale luminii. În urmă cu două decenii, o utilizare a acestei a doua tehnici a sugerat că nivelurile de oxigen, carbon, neon și azot din soare erau cu 26 până la 42% mai mici decât cele constatate într-o determinare anterioară, ceea ce a creat conflictul actual.

Acum a apărut o altă tehnică care ar putea decide dezbaterea de lungă durată: utilizarea neutrinilor solari.

Aceste particule provin din reacțiile nucleare din miezul soarelui care transformă hidrogenul în heliu. Aproximativ 1% din energia soarelui provine din reacții care implică carbon, azot și oxigen, care transformă hidrogenul în heliu, dar care nu se consumă în acest proces. Așadar, cu cât soarele are mai mult carbon, azot și oxigen, cu atât mai mulți neutrini ar trebui să emită acest ciclu CNO.

În 2020, oamenii de știință au anunțat că Borexino, un detector subteran din Italia, a reperat acești neutrini CNO (SN: 6/24/20/20). Acum, Ludhova și colegii săi au înregistrat suficienți neutrini pentru a calcula că atomii de carbon și de azot împreună sunt aproximativ 0,06% la fel de abundenți ca atomii de hidrogen în soare – prima utilizare a neutrinilor pentru a determina componența soarelui.

Și, deși acest număr pare mic, este chiar mai mare decât cel preferat de astronomii care susțin un soare cu un conținut ridicat de metal. Și este cu 70% mai mare decât numărul pe care ar trebui să îl aibă un soare cu un conținut scăzut de metal.

„Acesta este un rezultat extraordinar”, spune Marc Pinsonneault, un astronom de la Universitatea de Stat din Ohio din Columbus, care a susținut de mult timp un soare cu conținut ridicat de metal. „Ei au reușit să demonstreze în mod robust că soluția actuală de metalicitate scăzută nu este în concordanță cu datele”.

Cu toate acestea, din cauza incertitudinilor atât în ceea ce privește numărul de neutrini observați, cât și cel prezis, Borexino nu poate exclude pe deplin un soare cu metal scăzut, spune Ludhova.

Noua lucrare este „o îmbunătățire semnificativă”, spune Gaël Buldgen, un astrofizician de la Universitatea din Geneva, Elveția, care este în favoarea unui soare cu conținut scăzut de metal. Dar numărul prezis de neutrini CNO provine din modele de soare pe care el le critică ca fiind prea simplificate. Aceste modele neglijează rotația soarelui, care ar putea induce amestecul elementelor chimice de-a lungul vieții sale și ar putea modifica cantitatea de carbon, azot și oxigen din apropierea centrului soarelui, schimbând astfel numărul prezis de neutrini CNO, spune Buldgen.

Sunt necesare observații suplimentare de neutrini pentru un verdict final, spune Ludhova. Borexino s-a închis în 2021, dar experimentele viitoare ar putea umple golul.

Miza este mare. „Discutăm despre din ce este făcut universul”, spune Pinsonneault, deoarece „soarele este punctul de referință pentru toate studiile noastre”.

Așadar, dacă soarele are mult mai mult carbon, azot și oxigen decât se crede în prezent, la fel și întregul univers. „Acest lucru ne schimbă înțelegerea noastră despre modul în care sunt făcute elementele chimice. Ne schimbă înțelegerea noastră despre cum evoluează stelele și cum trăiesc și mor”, spune Pinsonneault. Și, adaugă el, este un memento că până și cea mai bine studiată stea – soarele nostru – are încă secrete.