Experimenterar vid 4,1 miljoner grader Fahrenheit, fysiker vid Sandia National Laboratories Z-maskin har funnit att en astronomisk modell – som användes i 40 år för att förutsäga solens beteende såväl som stjärnors liv och död – underskattar energiblockeringen som orsakas av fritt flytande järnatomer, en stor aktör i dessa processer.

Blockeringseffekten, kallas opacitet, är ett elements naturliga motståndskraft mot energi som passerar genom det, liknande ett ogenomskinligt fönsters motståndskraft mot passage av ljus.

"Genom att observera skillnader i verkligheten mellan teori och våra experiment vid Z, vi kunde identifiera svagheter i opacitetssiffror infogade i solmodeller, " sa Taisuke Nagayama, huvudförfattare på Sandia-gruppernas senaste publikation i Fysiska granskningsbrev .

Den goda nyheten är att Sandias experimentella opacitetsmätningar kan hjälpa blodlöst att lösa en stor diskrepans i hur den allmänt använda standardsolmodellen använder solens sammansättning för att förutsäga stjärnors beteende.

Fram till 2005, SSM:s multiplikation av mängden av varje element som är närvarande med dess opacitet stod för den observerade temperaturstrukturen i solen. Men nya astrofysiska observationer och mer sofistikerad fysik fick sedan astronomer att revidera sina uppskattningar av solens sammansättning. Tyvärr, dessa nya uppskattningar, infogas i modellen och multiplicerat med deras opaciteter, tog inte hänsyn till solens temperatur. Det fanns tre möjligheter:antingen var observationerna av den nya sammansättningen felaktiga, eller den ärade SSM var fel, eller den teoretiskt härledda opaciteten hos elementen var felaktig.

Experiment med solens temperatur ger svar

Den bästa upplösningen skulle helt klart komma från experiment utförda vid samma temperaturer som de som finns i solens inre.

För mer än ett decennium sedan, Sandia-forskare började ta järnbitar, var och en mindre än en krona, och infoga dem i målområdet för Z. När Z sköt, den extrema värmen förändrade det fasta materialet till plasma (en gas) som det finns i solen, men bara i nanosekunder. Det var tillräckligt länge, dock, för forskare att skicka en energivåg genom varje prov och mäta hur mycket som kom igenom. Tanken var att skapa, för första gången, laboratoriebaserade mått på opaciteten hos järn vid solens temperatur för att ta reda på om det stämmer överens med de teoretiska siffrorna som används i beräkningar av standardsolmodeller.

Genom att öka opaciteten hos järn i den utsträckning som demonstrerades av Z i flera oberoende experiment tog man bort ungefär hälften av skillnaden mellan beräknad och faktisk soltemperatur, sa Nagayama.

"Astronomer är nöjda med oss ​​eftersom vi säger att det är opacitetssiffrorna som kan vara fel, "sa pappersförfattaren och Sandia -forskaren Jim Bailey." Då behöver de inte hitta på en ny modell och göra om alla sina beräkningar med solen som riktmärke för att förutsäga stjärnornas utveckling. "

Det beror på att astronomer använder solens sammansättning som referens för universum.

"Att minska syremängden i solen med 50% motsvarar att halvera mängden vatten (H2O) i universum, " sade Bailey. "Det finns många exoplaneter som kretsar runt solliknande stjärnor; att revidera förståelsen av vår sol skulle också ha betydande inverkan på förståelsen av dessa exoplaneter.

"Astronomerna tyckte bäst om opacitetsantagandet, och det är vad vi har hittat hittills."

En metallisk överraskning

På samma test, Sandia mätte också opaciteterna för krom och nickel under samma förhållanden som används på järn. Tanken var att använda dessa element - mindre respektive större än järn, men intill järn i det periodiska systemet – som om järn testades närmare och längre från solens kärna. Förvånande, dessa element producerade experimentella opacitetsresultat i princip i enlighet med modellförutsägelser vid vissa fotonenergier. Fortfarande, de skilde sig från opacitetsförutsägelser vid särskilda våglängder – ytterligare grist för modellrevidering.

"Vårt arbete under de senaste fem åren har varit fokuserat på att lösa avvikelserna, " sade Nagayama. "Och ändå betyder de nya resultaten att ny vetenskap kan bli nödvändig för att redogöra för dem."

För att förklara nya experimentella resultat, fysiker undersöker nya modeller. Ett, kallas tvåfotonopacitet, utforskar idén att ett element kan absorbera två fotoner åt gången istället för en tankestandard.

"Om denna multi-fotonabsorption beaktas i modellen, det skulle öka den beräknade järnopaciteten och kan lösa avvikelsen, " han sa.

Om det är korrekt, den nya fysikmodellen måste beräkna opacitetsökningen endast för järn, eftersom modell och data redan är överens för krom och nickel.

Andra experimentella begränsningar inkluderar det faktum att lite är känt om solens struktur inom särskilda avstånd från solens centrum.

"Är diskrepansen värre om man går ännu djupare i solen?" frågade Nagayama. "Vi vet inte. Allt beror på vad som orsakar avvikelsen. Vi kan upptäcka att avvikelsen är ännu värre i solkärnan, eller så kan problemet vara isolerat till området runt 0,7 solradier, avståndet som matchar energierna vid vilka dessa experiment utfördes."

Att besvara dessa frågor borde leda till en mer exakt modell, han sa.

"Experiment med het tät plasma är tillräckligt utmanande för att vi inte ska utesluta risken för fel, " Nagayama sa. "Och vetenskapens inverkan är enorm - detta tvingar oss att fortsätta att undersöka experimentets giltighet."