科学探索|对太阳光谱的新计算解决了十年来对我们恒星组成的争议性问题( 二 ) 对太阳光谱的新计算解决了十

天文学家们很快就有了他们“太阳丰度危机” ，为了寻找出路，一些建议从不寻常到彻头彻尾的奇异。太阳是否在其行星形成阶段增加了一些贫金属的气体？能量是由不相互作用的暗物质粒子运输的吗？
Ekaterina Magg、Maria Bergemann及其同事最新发表的研究通过重新审视太阳化学成分的光谱估计所依据的模型成功地解决了这一危机。早期对恒星光谱如何产生的研究依赖于一种被称为局部热平衡的东西。他们假设，在一个恒星大气层的每个区域，能量有时间扩散并达到一种平衡。这将使我们有可能给每个这样的区域分配一个温度，这给计算共偶作带来了相当大的简化。
但早在20世纪50年代，天文学家就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非LTE计算并放弃了局部平衡的假设。非LTE计算包括对能量如何在系统内交换的详细描述--原子被光子激发，或发生碰撞，光子被发射、吸收或散射。在恒星大气层中，由于密度太低，无法让系统达到热平衡，这种对细节的关注会得到回报。在那里，非LTE计算产生的结果跟它们的局部平衡计算存在着明显的不同。
马克斯-普朗克天文学研究所的Maria Bergemann小组则是将非线性计算应用于恒星大气的世界领导者之一。作为她在该小组的博士工作的一部分， Ekaterina Magg开始更详细地计算太阳光球中辐射物质的相互作用。光球层是太阳大部分光线的发源地，也是吸收线印在太阳光谱上的外层。
在这项研究中，他们追踪了跟目前恒星如何随时间演变的模型相关的所有化学元素，另外还应用了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以确保其结果是一致的。为了描述太阳的对流区域，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，他们选择了具有最高质量的数据集：哥廷根大学天体和地球物理研究所发布的太阳光谱。Magg表示：“我们还广泛地关注了对可能限制结果准确性的统计和系统效应的分析。”
新计算结果表明，这些关键化学元素的丰度和相应光谱线的强度之间的关系跟以往研究人员所称的存在很大不同。因此，从观察到的太阳光谱中得出的化学丰度跟以前的分析中所说的有些不同。
“我们发现，根据我们的分析，太阳包含的比氦气更重的元素比以前的研究推断多26% ， ”Magg解释道。在天文学中，这种比氦气重的元素被称为“金属” 。在太阳的所有原子核中，只有千分之一的数量是金属；正是这个非常小的数字，现在已经改变了26%的先前值。Magg补充道：“氧丰度的数值比以前的研究高出了近15% 。”然而，新数值跟原始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。
当这些新数值被用作当前太阳结构和演化模型的输入时，这些模型的结果和日光地震测量之间令人困惑的差异就消失了。Magg、Bergemann和他们的同事对光谱线如何产生的深入分析并依靠对基础物理学相当完整的模型的依赖设法解决太阳丰度危机。
Maria Bergemann说道：“基于我们新的化学成分的新太阳模型比以往任何时候都更现实：它们产生的太阳模型跟我们拥有的关于太阳现今结构的所有信息--声波、中微子、光度和太阳半径--相一致，但不需要太阳内部的非标准的、奇异的物理学。”