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Zusammensetzung der Sonne korrigiert

Elementmessungen beheben Diskrepanz zwischen Spektrum und Helioseismologie

Sonne
Die Elementzusammensetzung der Sonne ist etwas anders als bisher gedacht. © NASA/ Goddard Space Flight Center

Überraschend anders: Unsere Sonne enthält mehr Sauerstoff, Silizium und Neon als gedacht. Insgesamt ist der Anteil aller schwereren Elemente sogar 26 Prozent höher als es gängige Modelle vorsehen, wie Astronomen herausgefunden haben. Dies wirft nicht nur ein neues Licht auf Aufbau und Zusammensetzung unseres Sterns, die neuen Werte klären auch einen seit Jahrzehnten rätselhaften Widerspruch zwischen Spektraldaten und helioseismologischen Messungen.

Um herauszufinden, welche Elemente ein Stern wie unsere Sonne enthält, nutzen Astronomen die Spektralanalyse: Dunkle Linien im Regenbogen des Lichtspektrum verraten, wo Atome Teile der Strahlung absorbieren und welche dies sind. 1920 entdeckten Astrophysiker zudem, dass die Stärke dieser Spektrallinien auch Rückschlüsse über die Temperaturen an ihrer Quelle erlaubt. Das solare Spektrum bildet seither eine wichtige Grundlage für Modelle des Aufbaus und der Entwicklung der Sonne und anderer Sterne.

Sonnenspektrum
Die feinen dunklen Linien im Spektrum der Sonne verraten ihren Elementgehalt. © M. Bergemann / MPIA / NARVAL@TBL

Rätselhafte Diskrepanz

Umso schockierender war es, als Astronomen vor einigen Jahren feststellen mussten, dass diese Daten und Modelle nicht zu den Ergebnissen der Helioseismologie passen. Bei dieser relativ neuen Messmethode nutzen Forschende winzige Schwingungen der Sonne und ihrer Oberfläche, um auf die Prozesse und Zusammensetzung ihres Inneren zu schließen. In gleich mehreren entscheidenden Punkten weichen die helioseismologischen Beobachtungen aber von denen der gängigen, auf Spektraldaten basierenden Modellen ab.

Zu den Diskrepanzen gehört unter anderem, dass die von Konvektionsströmungen geprägte Schicht in der Sonne wesentlich größer sein muss als es die Modelle vorhersagen. Auch die Geschwindigkeit von Schallwellen im unteren Teil der Konvektionszone, die Gesamtmenge an Helium und die Freisetzung solarer Neutrinos weisen deutliche Diskrepanzen zu den spektralen Modellen auf. Seit Jahren rätseln und debattieren Astronomen über diese substanzielle Diskrepanz, die auch als „Solar Abundance Crisis“ bezeichnet wird.

Wie lässt sich dieser Widerspruch zwischen zwei fundamentalen und etablierten Methoden der Sonnenforschung erklären? Einige Forscher stellten dazu eher exotische Hypothesen auf, nach denen unser Stern in seiner Frühzeit metallarmes Gas geschluckt haben soll oder sich Dunkle Materie im Sonneninnern verbirgt.

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Neue Auswertung des solaren Spektrums

Eine anderen Ansatz haben dagegen Astronomen um Ekaterina Magg vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg gewählt. Bisher gingen Modelle auf Basis spektraler Daten meist von einem lokalen thermischen Gleichgewicht (LTE) im Sonneninneren aus. Nach diesem erreicht die Energie in jeder Zone der Sternenatmosphäre ein Gleichgewicht, das die lokale Temperatur bestimmt. Doch neuere Daten legen nahe, dass dieses thermische Gleichgewicht in vielen stellaren Atmosphären nicht erreicht wird – das Modell ist daher zu stark vereinfacht.

Magg und ihr Team haben deshalb Daten aus hochaufgelösten Sonnenspektren genutzt, um mittels sogenannter Nicht-LTE-Berechnungen die Wechselwirkung von Strahlung und Materie in der Sonnenphotosphäre genauer zu berechnen. Aus diesen Berechnungen ermittelten sie aufs Neue die Beziehung zwischen der Stärke der Spektrallinien und der Häufigkeit des entsprechenden Elements – und erhielten so neue Daten zur chemischen Zusammensetzung der Sonne.

Sonne ist metallreicher als gedacht

Das überraschende Ergebnis: Bei gleich mehreren wichtigen Elemente weichen die neuen Ergebnisse deutlich von den gängigen Modellen ab. So enthält die Sonne offenbar mehr Sauerstoff, Silizium und Neon als bisher angenommen. „Der Wert für die Sauerstoffhäufigkeit war fast 15 Prozent höher als in früheren Studien“, berichtet Magg. Insgesamt liegt der Anteil an Elementen schwerer als Helium in der Sonne sogar 26 Prozent höher als gedacht – die Sonne ist demnach gegenüber früheren Annahmen metallreicher.

Noch entscheidender aber ist, dass diese neuen Werte die „Solar Abundance Crisis“ beheben: Fügt man die spektralen Elementwerte in die Modelle des Aufbaus und der Entwicklung der Sonne ein, verschwindet die rätselhafte Diskrepanz zu den helioseismischen Messungen. „Das ist das erste Mal, dass solare Standardmodelle auf Basis spektroskopischer Resultate den inneren Aufbau der Sonne reproduzieren können, der durch helioseismologische Techniken bestimmt wurde“, konstatiert das Forschungsteam.

Weg zu besseren Sonnenmodellen

Damit ebnet die Studie den Weg zu neuen Modellen der Sonne und des Sternenaufbaus, die mit spektralen und helioseismologischen Beobachtungen vereinbar sind. „Die neuen Sonnenmodelle, die auf den von uns bestimmten neuen Werten für die chemische Zusammensetzung beruhen, sind realistischer als je zuvor: Sie ergeben ein Modell der Sonne, das mit allen Informationen, die wir über die heutige Struktur der Sonne haben – Schallwellen, Neutrinos, Leuchtkraft und Sonnenradius – übereinstimmt, ohne dass man exotische Physik im Sonneninneren heranziehen muss“, sagt Maggs Kollegin Maria Bergemann.

Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die neuen Modelle auch besser auf andere Sterne als die Sonne anwenden lassen. Das stellt künftige Analysen der Sternchemie und damit auch Rekonstruktionen der chemischen Entwicklung unseres Kosmos auf eine solidere Grundlage als je zuvor. (Astronomy & Astrophysics, 2022; doi: 10.1051/0004-6361/202142971)

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie

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