AKTUELL FORSKNING
Solens nya
innehållslista
Text: Åsa Karlsson
Illustrationer: Sophia Lundquist
32 Populär Astronomi Nr 3 2008
Fot o: S O H O / NAS A
Fel med en faktor två. Så dåliga var de gamla värdena för hur mycket kol, syre och kväve som finns i solens atmosfär. Värden
som har påverkan genom hela astronomin. Hur kunde det bli så fel? Och kan vi verkligen lita på de nya siffrorna?
A
tt de allt snabbare datorerna gör det möjligt att
bättre simulera stjärnors gasmassor är kanske inte
en nyhet för de flesta. Att det är en svensk som står
bakom en del av studierna är kanske mindre känt.
Martin Asplund och hans forskarteam har bland
annat studerat solens kemiska sammansättning och funnit
att grundämneshalterna skiljer sig avsevärt från tidigare
studier. Resultaten påverkar inte bara solen, utan också
bestämningen av andra stjärnors och galaxers halter – och
faktiskt också kosmologiska modeller.
Martin Asplund visste tidigt i sitt liv att han ville bli
astronom, men det han inte visste då var att han skulle
röra om rejält i solens kemiska sammansättning med sina
modeller.
– Solen har varit svår att förstå tidigare, bland annat
därför att solen troddes ha högre syrehalt än stjärnor i
omgivningen, säger Martin Asplund.
– Vi har en idé om hur grundämnena uppkommer i
stjärnor, och då borde i regel andelen grundämnen som
syre öka med tiden. Tittar man på stjärnor som bildats
idag borde de ha en högre halt av syre än solen. Men det
var tvärtom, och det kunde man inte förstå, fortsätter
Martin.
Många astronomer har tagit till sig de studier som
Martin ligger bakom, och resultaten verkar lovande.
– Jämför man nu är solen en helt normal stjärna,
säger Martin.
Solen – bra att tillämpa modeller på
Genom att observera solen och förstå bakomliggande fysik
kan man göra tillämpningar på andra stjärnor i universum.
Det korta avståndet till solen gör den till ett utmärkt objekt
att applicera fysikaliska modeller på.
– Jag ser solen som ett testredskap för att testa sina modeller som man sedan ska använda på andra stjärnor. Man
kan då känna sig säker på att det funkar på andra stjärnor,
säger Martin.
Att observera stjärnors innehåll
För att studera den kemiska sammansättningen hos stjärnor används i regel spektra. Sådana får man till exempel
genom att leda en stjärnas ljus genom ett glasprisma eller
mot ett gitter, en spegel med tätt liggande ritsor. Prismat
bryter ljusets alla våglängder olika mycket och ger därmed
en lättöverskådlig bild över stjärnans alla utsända våglängder. I naturen syns detta fenomen som en regnbåge, då
vattendroppar kan ge en liknande effekt som ett prisma.
Stjärnor består, liksom vi, av atomer och molekyler.
Även om solen är mycket stor måste fysiken bakom det
mycket lilla, atomer och molekyler, först begripas. Det är
på den skalan som många av de riktigt intressanta solegenskaperna kan få en förklaring.
Vad händer i en stjärna?
I centrum av en stjärna sker fusionsprocesser där strålning
produceras genom omvandling från massa enligt den
berömda formeln E = mc2. Hos solen som hos de flesta
stjärnor omvandlas väte till helium. För att fusionsprocessen ska upprätthållas krävs att stjärnans centrum har en
temperatur på åtskilliga miljoner grader.
Radiellt utåt från stjärnans centrum avtar temperaturen.
På stjärnans yta är temperaturen som lägst, i solens fall är
temperaturen vid ytan omkring 5 500 grader Celsius. Den
enorma temperaturskillnaden i stjärnan resulterar i att värmeenergin från centrum transporteras utåt i stjärnan, och
detta kan ske genom strålning, ledning eller konvektion.
Strålning innebär att fotoner lämnar objektet som därmed
kyls av. Ledning är när värme leds genom ett material likt
en kastrull på en värmeplatta, då värme överförs från plattan till kastrullen som värms upp. Konvektion är het materia som stiger uppåt, kyls ner på ytan och sedan sjunker
ned mot de varmare områdena igen. Detta fenomen kan
iakttas när vatten sjuder och den varma vätskan närmast
plattan stiger upp under tiden som det svalare vattnet
ovanför sjunker nedåt.
I stjärnors inre dominerar dessa tre energitransporter
inom olika zoner. Konvektionszonen hos solen sträcker sig
upp till ytan, även kallad fotosfären, och är den zon som
syns utifrån. Observationer av lagren under fotosfären kan
inte göras optiskt, och för att tolka händelseförloppen där
har astronomerna vänt sig till modeller och datorkraft.
Martin Asplunds studier
Martin Asplunds och hans medarbetares studier baseras
på en så kallad tredimensionell hydrodynamisk modell.
Modellen bygger på hur gas rör sig i konvektionszonen
tredimensionellt och beskriver balansen mellan strålnings­
transport och konvektion vid solens yta. Den tidigare
använda modellen, den endimensionella hydrostatiska
modellen, användes för att datakrafterna inte räckte till
och nödvändiggjorde en osäker parameter. Den para­
metern kommer automatiskt ut ur ekvationerna i den
tredimensionella modellen, vilket gör modellen mer
fördelaktig. Den nya modellen tar även hänsyn till hur
Nr 3 2008 populär Astronomi 33
AKTUELL FORSKNING
Atomer och molekyler kan ta upp
energier motsvarande vissa våglängder genom så kallad excitation.
Excitation innebär att elektronerna
i atomen eller molekylen antar ett
högre energitillstånd.
Det betyder att en elektron i en atom om den tillförs energi
kan hoppa utåt till en ny omloppsbana längre från kärnan.
Energin kan komma från kollisioner
mellan partiklar eller från elektromagnetisk strålning som ljus. Det måste tillföras
exakt så mycket energi som hoppet motsvarar för att elektronen ska hoppa utåt.
I ett spektrum syns excitationerna som svarta linjer, så
kallade absorptionslinjer. Energin för motsvarande våglängd
har gått till elektronen, som nu har mer energi än den hade
tidigare. Varje ämne har typiska övergångar. Om man jämför
de våglängder som saknas i spektrum med laboratoriedata
kan då den kemiska sammansättningen avslöjas.
solens yta förändras med tiden, partikelstatistik och
egenskaper i solens lägre atmosfär.
– Det är inte bara att vi har bättre modeller för hur
solens atmosfär fungerar utan vi har även förbättrad
atom- och molekyldata och mer detaljerad beskrivning i
hur solspektrum fungerar, säger Martin.
– Perfekta är våra simuleringar inte ännu, men de är
uppenbart väldigt realistiska, betydligt bättre än tidigare
endimensionella hydrostatiska modeller, fortsätter han.
Martin Asplund och hans medarbetare publicerade
sina första resultat redan 1999, då han var postdoc i
Köpenhamn. Resultaten väckte stora funderingar inom
astronomin just för att hans studier visade på att solens
grundämneshalt skiljer sig markant från tidigare model-
De tio vanligaste
ämnena på solytan
Namn Viktprocent Antal atomer i procent
Väte
73,4
92,0
Helium
25,0
7,8
Syre
0,53
0,041
Kol
0,20
0,023
Neon
0,16
0,006
Kväve
0,11
0,006
Magnesium
0,06
0,003
Kisel
0,07
0,003
34 populär Astronomi Nr 3 2008
ler. Det visade sig att modellen gav en betydligt lägre halt
av kol, syre och kväve i solen än tidigare.
– Jag insåg att det skulle vara viktigt att utveckla
tredimensionella hydrodynamiska modeller speciellt för
kemisk haltanalys. Däremot hade jag inte förväntat mig
så stora effekter och uppståndelse för vår solanalys som
vi gjorde mest som ett första test, säger Martin om sina
första publiceringar.
Trots att många forskare inom stjärnastronomin i stort
välkomnar studierna gjorda av Martin och hans medarbetare finns det ett visst motstånd. Helioseismologins
värden på solens grundämneshalt stämmer inte alls med
de tredimensionella hydrodynamiska resultaten.
– Det enda som inte passar med våra resultat är helioseismologin och modeller för solens inre, säger Martin.
Helioseismologi
Helioseismologi är studier av hur vågor transporteras
genom solen och kan i viss mån likna jordens seismologi.
Precis som tryckvågor kan röra sig genom jorden vid jordbävningar kan tryckvågor röra sig genom solen. Tryckvågorna kan liknas vid vanliga ljudvågor, fast frekvenserna
ligger normalt inte inom våra örons uppfattningsintervall.
Dessa är vanliga i konvektionszonen och skapas av turbulens i den nedre delen av konvektionszonen samt i fotosfären i samband med magnetfältet på solen. Den hastighet
TeleskopService
TeleskopService
– din guide till universum
–LUNT
din
guide till universum
60mm H-alfa solteleskop
H-alfa solteleskop från LUNT Solar Systems. UtLUNT
60mm
H-alfa solteleskop
rustad med
2” Crayfordfokuserare
1:10. Objektiv-
som
ljudvågorna färdas med beror
bland annat på den kemiska
sammansättningen hos solen, då tyngre grundämnen är svårare att sätta i svängning än lättare.
Den här typen av vågor är tämligen lätta att observera
med dagens satelliter, vilket gör helioseismologin till en
fördelaktig metod att studera solens sammansättning på.
Men dess resultat för solens grundämneshalt överensstämmer inte med Martins resultat.
– Det var helioseismologerna som först hävdade att det
var någonting konstigt med de neutriner vi observerade
från solen, och partikelfysikerna påstod att det var fel på
förståelsen för solens inre. Helioseismologerna hade rätt
i slutändan, så nu är de såklart övertygade om att de har
rätt och att andra har fel, säger Martin.
Martin Asplunds publicerade resultat skapade givetvis
uppståndelse bland astronomerna. Helt plötsligt gav nya
modeller värden på solens kemiska sammansättning som
inte stämde överens med tidigare modeller. Trots att han,
samt andra astronomer, publicerat ett antal artiklar om
detta har man inte säkert lyckats fastställa grundämnes­
halterna än idag.
Någonting som talar starkt för den tredimensionella
modellen är att resultaten av grundämneshalterna tros
stämma bra överens med de halter som man tror att
solnebulosan en gång hade. Solnebulosan är det gasmoln
ur vilket solen bildades, och eftersom solen mestadels
omvandlar väte till helium borde de övriga grundämnenas
halter fortfarande vara relativt opåverkade. Tidigare resultat med den endimensionella hydrostatiska modellen har
inte fått halterna att stämma bra överens med solnebulosans antagna halter. Trots detta är den endimensionella
hydrostatiska modellen något som astronomerna inte
gärna överger. Ändå verkar de vara inställda på att den
nya tredimensionella hydrodynamiska modellen kommer
att ta över mer och mer då datorernas kapacitet ökar.
Den stora frågan är såklart vilken metod som stämmer bäst överens med verkligheten. Vet man tillräckligt
mycket om vad som händer i stjärnor? Har man tagit
hänsyn till alla processer i modellerna? Astronomerna
verkar bekymrade över oenigheten och kampen om solens kemiska sammansättning fortsätter …
H-alfa
solteleskop
från LUNT
Systems. Utdiameter
60 mm. Brännvidd
500Solar
mm. Bandbredd
rustad
med 2” Crayfordfokuserare
1:10. Objektiv<0,8 Ångström.
Färg: Pärlvit/svart-anodiserad.
Art.nr. LS60THa
diameter
60 mm. Brännvidd 500 mm. Bandbredd
8 995:–
<0,8 Ångström. Färg: Pärlvit/svart-anodiserad.
TS
20x80
Triplet
Art.nr. LS60THa
8 995:–
Fältkikare utrustad med triplet-objektiv, som ger
god skärpa och välkorrigerad färgåtergivning.
TS 20x80
Robust
utförandeTriplet
med integrerad stativadapter.
Levereras
i koffert.
Fältkikare
utrustad med triplet-objektiv, som ger
Art.nr.
TS20x80Trip
god skärpa
och välkorrigerad färgåtergivning.
2 195:–
Robust utförande med integrerad stativadapter.
HR 1,25” Planetokular
Levereras i koffert.
HR Planetokular ger, till budgetpris, ett högklassigt
Art.nr. TS20x80Trip
2 195:
planetokular med mycket god kantskärpa, 16 mm
ögonavstånd och 60°synfält. Justerbar ögonmussla.
Finns
i brännvidderna
2, 5, 4, 5, 6, 7, 8, 9 mm.
HR
1,25”
Planetokular
HR+brännvidd
HRArt.nr
Planetokular
ger, till budgetpris, ett högklassigt
725:–
planetokular med mycket god kantskärpa, 16 mm
William Optics Megrez 72 FD APO
ögonavstånd och Nya
60°synfält.
Justerbar ögonmussla.
Megrez 72 FD APO är en refraktor i absolut
Finns i brännvidderna
2, 5, Försedd
4, 5, 6,med
7, 8,
9 mm. FD Extra Low
toppklass.
högkvalitativt
Art.nr HR+brännvidd
Dispersion linselement, samt infällbar dagghuv och
725:–
roterbar Dual Speed 2” Crayfordfokuserare. CNCbearbetad aluminiumtub. Pulverlackad i vitt.
William Optics Megrez 72 FD APO
Integrerat vinkelmontage.
Nya Megrez
Art.nr.
WO72FD72 FD APO är en refraktor i absolut
3 875:–
toppklass. Försedd med högkvalitativt FD Extra Lo
Dispersion
samtSource
infällbar dagghuv oc
The Imaging
NexImage Solar
System linselement,
roterbar DualEnSpeed
2” Crayfordfokuserare.
av marknadens
vassaste kame- CNC
Imager
ror för foto av objekten
i vårt solPulverlackad
i vitt.
Utmärkt kamera för bearbetad
planetfoto. aluminiumtub.
system. Finns i monokrom- och
Integrerat
Instruktion för snabbstart
gör detvinkelmontage.
färgversion. Anslutes till datorn via
möjligt att redan första
natten
Art.nr.
WO72FD
FireWire alt. USB. Detaljerad infor-
3 875:
ta bilder som imponerar på dina
mation hittar du på vår hemsida
vänner.
under
Produkter/CCD
kameror.
The
Imaging
Source
NexImage
Solar
System
Art.nr. C93712
Prisex: DFK21AF04.AS (Färg)
En av marknadens vassaste kame
Imager
ror595:–
för foto av objekten i vårt sol
1 325:–
Utmärkt
kamera för planetfoto. 3
Instruktion för snabbstart gör det system. Finns i monokrom- och
färgversion. Anslutes till datorn v
Atik CCD-kameror
möjligt
att redan första natten
Atik tillverkar en hel serie av olika CCD-kameror,
såväl
alt. passar
USB. Detaljerad
info
ta bilder som imponerar på dina FireWiresom
nybörjaren som den mera erfarne astrofotografen.
Detaljerad
informamation
hittar
du
på
vår
hemsida
vänner.
tion hittar du på vår hemsida under Produkter/CCD
kameror.
under Produkter/CCD
kameror.
Art.nr.
C93712
5
695:ATK16IC-HS
och ATK16IC-C
Prisex: DFK21AF04.AS (Färg)
ATK16IC-S och ATK16IC-SC
1ATK314L
325:–
och ATK314LC
6 875:595:–
153995:-
Atik filterhjul
Atik CCD-kameror
Högklassiga filterhjul från Atik till lågpris.
Atik tillverkar enATK
helEFW
serieMotoriserat
av olika CCD-kameror,
passar såväl
filterhjul, 5x1,25”som
filterplatser
nybörjaren som den mera erfarne astrofotografen.
Detaljerad inform
2 350:tion hittar du på vår hemsida under Produkter/CCD kameror.
ATK MFW Manuellt filterhjul, 5x1,25” filterplatser
ATK16IC-HS och ATK16IC-C
5 695:ATK16IC-S och ATK16IC-SC
ATK314L
ochmaila
ATK314LC
Ring eller
in din order
1 450:6 875:15 995:-
Frakt tillkommer på alla priser
Åsa Karlsson väntas ta sin mastersexamen i astronomi vid Uppsala universitet nästa år.
Hon driver också communitysajten Astronomiguiden på nätet. Martin Asplund intervjuas
på sidan 26.
Atik filterhjul
TeleskopService Norden
AB
Högklassiga
filterhjul från Atik till lågpris.
Mobil +46 (0) 768 653
250
ATK
EFW Motoriserat filterhjul, 5x1,25” filterplatse
Tel +46 (0) 301 429 72
[email protected]
www.teleskop-service.se
2 350:-
ATK MFW Manuellt filterhjul, 5x1,25” filterplatser
1 450:-
