Физики не смогли объяснить прозрачность Солнца ошибками теории

Физики из США и Франции получили сильно ионизированную плазму никеля и хрома, разогрев эти металлы с помощью мощного рентгеновского лазера, а затем измерили ее прозрачность. Условия, в которых ученые проводили измерения, напоминали условия внутри Солнца. Оказалось, что для этих атомов эксперимент довольно хорошо согласуется с теорией, что ставит под сомнение результаты предыдущих экспериментов с железом. Таким образом, загадка границы конвекционной и радиационной области остается неразрешенной. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

Вся энергия Солнца рождается в его ядре в результате термоядерных реакций, а потом пробивается к поверхности звезды. Переносится энергия одним из двух возможных путей. С одной стороны, ее переносит излучение (радиация) — фотоны, которые рождаются в термоядерных реакциях и просачиваются сквозь полупрозрачную плазму. С другой стороны, вещество Солнца перемешивается, словно вода в чайнике, в результате чего нагретое вещество поднимается к поверхности; этот процесс называют конвекцией. В зависимости от строения вещества, один из процессов преобладает. Вблизи поверхности Солнца, где плазма плохо пропускает фотоны, более выгодной оказывается конвекция, а ближе к центру начинает доминировать излучение. Границу, на которой эффективность обоих процессов примерно равна, можно определить с помощью гелиосейсмологии — науки, которая изучает колебания солнечной поверхности. Согласно этой науке, граница проходит примерно на расстоянии 0,713R, где R — радиус Солнца.

К сожалению, объяснить это число теоретически ученые до сих пор не могут. Проблема в том, что для работы теоретической модели в нее нужно подставить прозрачность плазмы, из которой состоит Солнце, следовательно, нужно знать химический состав плазмы. Для описания состава звезды астрофизики используют понятие «металличность», которое задает концентрацию «тяжелых» элементов (то есть элементов тяжелее водорода и гелия) по отношению к концентрации водорода. Наблюдения, проведенные в конце 1990-х годов, указывали на высокую концентрацию тяжелых элементов в Солнце, однако более современные и точные измерения приводят к гораздо более низким значениям металличности. Если скомбинировать эти значения с теоретически рассчитанной прозрачностью плазмы, граница конвективной и радиационной зоны будет отличаться от значения, полученного с помощью гелиосейсмологии.

Поэтому несколько лет назад группа физиков под руководством Джима Бейли (Jim Bailey) предположила, что теоретические модели неправильно рассчитывают прозрачность плазмы Солнца, и смоделировала солнечные условия в прямом эксперименте на Z-машине. Для этого ученые просветили тонкую железную фольгу мощным рентгеновским лазером, разогрели ее до температуры два миллиона кельвинов, а затем измерили прозрачность получившейся плазмы на разных длинах волн. В результате оказалось, что в действительности теория почти на треть завышает прозрачность сильно ионизированной железной плазмы. Теоретически этот результат может объяснить отклонения от гелиосейсмологических предсказаний. Тем не менее, ученые не стали спешить с выводами и заметили, что расхождение эксперимента и опыта может быть связано не только со сложным механизмом поглощения фотонов в сильно ионизированной плазме, но и с неучтенными погрешностями эксперимента.

В новой статье физики вернулись к этому эксперименту и повторили его для еще двух элементов — хрома и никеля. Эти элементы ученые выбрали для того, чтобы более подробно исследовать, как поглощение фотонов связано со строением электронной оболочки атомов. При температуре около двух миллионов кельвинов, до которой разогревается вещество внутри Солнца, атомы теряют бо́льшую часть своих электронов. В атоме никеля, ядро которого обладает самым большим зарядом из рассматриваемой тройки, электроны связаны сильнее всего, поэтому ему удается удержать десять электронов, которые заполняют две первые оболочки. Атом железа, заряд которого на единицу меньше заряда никеля, связывает электроны немного слабее, поэтому у него остается на один электрон меньше. По той же причине атом хрома (заряд на четыре меньше атома никеля) при сравнимой температуре остается всего с семью электронами.

Исходная гипотеза, которую проверяли ученые, заключалась в том, что расхождение эксперимента и теории связано со сложностью теоретических расчетов для сильно ионизированных атомов. Проще говоря, теоретики просто недооценивали вероятность перехода электронов, поглотивших фотон, между L-оболочкой и более высокой оболочкой. Для иона никеля, у которого внешняя оболочка полностью заполнена, расчеты упрощаются, поэтому можно было ожидать, что теория работает хорошо. Для ионов железа расчеты сложнее, поэтому эксперимент хуже согласовывался с теорией. Для ионов хрома, L-оболочка которых потеряли еще два электрона, ученые ожидали наибольшее отклонение от теории.

Однако на практике физики получили немного другой результат: эксперимент довольно точно совпал с теорией не только для никеля, но и для хрома, хотя теоретические значения прозрачности ионов железа оставались занижены. Статистическая погрешность во всех трех экспериментах находилась на уровне десяти процентов. Исследователи подчеркивают, что в новых экспериментах они использовали ту же методику, что и в эксперименте с железом.

Поэтому физики считают, что экспериментальные результаты можно объяснить одним из двух способов. Во-первых, теоретические модели могут упускать детали, которые характерны только для сильно ионизированных атомов железа. Во-вторых, в экспериментах с железом могут возникать неучтенные ошибки, характерные только для этих экспериментов. К сожалению, пока ученые не могут сказать, какой из этих вариантов реализуется на самом деле, и тем более не могут объяснить гелиосейсмологические измерения. Тем не менее, авторы надеются, что их работа поможет разработать правильную теоретическую модель, которая описывает сильно ионизированную плазму внутри Солнца.

Несмотря на то, что ученые наблюдают за Солнцем уже более четырехсот лет (если отсчитывать с момента изобретения телескопа и гелиоскопа), оно продолжает загадывать им новые загадки. Например, в сентябре прошлого года ученые из США и Израиля обнаружили, что интенсивность гамма-излучения Солнца зависит от его активности и положения источника на поверхности, что противоречит всем существующим теоретическим моделям. Подробнее про исследования Солнца можно прочитать в блоге астрофизика Сергея Богачева. В частности, в этом блоге можно узнать про корону, пятна и солнечные циклы.

Дмитрий Трунин