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  Aktuelle Forschung :: Mai 2009 Zur Übersicht

Schminke im strahlenden Antlitz der Sonne

Ein internationales Team von Astrophysikern unter der Leitung von Prof. Martin Asplund, Direktor am Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching, hat ein zehn Jahre dauerndes Forschungsprogramm zur Bestimmung eines fundamentalen astronomischen Maßstabs abgeschlossen: die chemische Zusammensetzung der Sonne. Das Ergebnis ist unerwartet: die neue Analyse zeigt, dass Elemente schwerer als Wasserstoff und Helium in der Sonne deutlich seltener sind als bislang angenommen. Dies hat weitreichende Auswirkungen auf unser Verständnis des Sonnensystems, von Sternen und von der Entwicklung von Galaxien wie der Milchstraße.

Abb. 1: Die chemische Zusammensetzung der Sonne ist ein astronomischer Maßstab von grundlegender Bedeutung, mit Hilfe dessen der Entwicklungszustand kosmischer Objekte beurteilt wird.
Bildquelle: ESA/NASA

Abb. 2: Die neuen solaren Elementhäufigkeiten, die das von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Astrophysik geleitete Team bestimmt hat. Die horizontale Achse gibt die Ordnungszahlen der Elemente. Die Häufigkeitswerte sind auf der den Astronomen vertrauten logarithmischen Skala gegeben, bei der Wasserstoff den Wert 12 zugewiesen bekommt. Die hohen Häufigkeiten von Wasserstoff und Helium erklären sich durch ihre hauptsächliche Entstehung in den ersten Minuten nach dem Urknall. Alle anderen Elemente wurden im feurigen Innern von Sternen geschmiedet oder entstammen dem Inferno von Supernova-Explosionen, die das Leben der Sterne beenden. Die Form der solaren Häufigkeitsverteilung verrät nicht nur Vieles über die Kernphysik und inneren Bedingungen von Sternen, sondern auch über die Entwicklung von Galaxien wie der Milchstraße.

Abb. 3: Ein Vergleich der neu bestimmten solaren Elementhäufigkeiten mit denen in den ursprünglichsten Meteoriten (logarithmische Skala) zeigt sehr gute Übereinstimmung im Rahmen der Messunsicherheiten. Die zum Vergleich herangezogenen Meteoriten sind seit ihrer Entstehung bei der Bildung des Sonnensystems vor 4,5 Milliarden Jahren im Wesentlichen unverändert geblieben. Lediglich einige wichtige Elemente wie Wasserstoff, Helium, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Neon haben sich verflüchtigt und ihre Häufigkeiten müssen daher mittels der Sonnenspektroskopie ermittelt werden.

Die chemische Zusammensetzung der Sonnenmaterie ist ein sehr wichtiger Baustein zu unserem Verständnis der Bildung, Struktur und Entwicklung der Sonne und des Sonnensystems. Außerdem spielt sie eine bedeutende Rolle als Bezugsgröße zum Vergleich mit den Elementhäufigkeiten in anderen astronomischen Objekten, z.B. in Sternen, Planeten, Gaswolken im interstellaren Medium und ganzen Galaxien.

Die chemische Elementmischung von Sternen wie der Sonne läßt sich aus ihrem Strahlungsspektrum ablesen. Dieses enthällt gleichsam einen Fingerabdruck der vorhandenen Substanzen in Form von Fraunhoferschen Absorptionslinien. Um aus der Stärke einer Spektrallinie auf die Elementhäufigkeiten Rückschlüsse zu ziehen, benötigen die Astrophysiker ein genaues Modell der Sternatmosphäre und der Prozesse zwischen Atomen und Strahlungsphotonen, die zur Bildung des Spektrums beitragen. Bei der Sonne stellt die Konvektion, durch die ihre Atmosphäre wie blubberndes, kochendes Wasser durchmischt wird, eine Komplikation dar. Sie verändert die Struktur der Sonnenatmosphäre in der Region, wo das Spektrum sich formt.

Die theoretische Grundlage für die neue Studie ist ein realistischeres Modell der Sonnenatmosphäre, das auf dreidimensionalen hydrodynamischen Computersimulationen fußt, im Gegensatz zu den früher benutzten eindimensionalen Modellen. Solche Simulationen sind eine echte Herausforderung und wurden in Zusammenarbeit der Gruppe am Max-Planck-Institut für Astrophysik mit Kollegen in Dänemark, den USA und Australien erstmalig angegangen und systematisch verbessert. Dabei wurden auch die Wechselwirkungen der Strahlung mit der Materie im Detail verfolgt und neue, sorgfältig ausgewählte Daten für die atomaren Linienübergänge verwendet.

Durch die ausgeklügelten Analysemethoden und verbesserten Atomdaten konnte das Team eine vorher nicht mögliche Genauigkeit bei der Bestimmung der solaren Elementhäufigkeiten erreichen. Außerdem konnten Werte für alle 71 Elemente bestimmt werden, die sich durch Sonnenspektroskopie identifizieren lassen, statt wie üblich nur für ein einziges oder sehr wenige. Dieses ambitiöse Unterfangen brauchte eine Spanne von zehn Jahren zur Vollendung.

Das überraschendste und in seinen Konsequenzen weitreichende Ergebnis ist die Tatsache, dass die Menge an Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Neon (die vier nach Wasserstoff und Helium häufigsten Elemente) nur rund zwei Drittel des bisher geglaubten Wertes beträgt. Die neue 3D-Modellierung, Spektrenberechnung mit Nichtgleichgewichtsbehandlung, bessere Atomdaten und eine verläßlichere Auswahl von Spektrallinien spielen alle eine wichtige Rolle und bewirken Veränderungen in der gleichen Richtung.

Die neuen Ergebnisse gewinnen dadurch an Gewicht, dass die Vorhersagen durch das dreidimensionale Sonnenmodell hervorragend zu einer Reihe von anderen Beobachtungen passen. Die Ergebnisse der neuen Studie werden in der diesjährigen Ausgabe des angesehenen wissenschaftlichen Journals "Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics" veröffentlicht. Sie haben das Potenzial, den Stand des astronomischen Wissens über die Elementhäufigkeiten für viele Jahre zu definieren.

Die veränderte solare Häufigkeitsverteilung wird durch einen Vergleich mit der chemischen Zusammensetzung von Meteoriten gestützt, deren Materie sich seit der Entstehung des Sonnensystems im Wesentlichen nicht verändert hat. Obwohl solche Meteoriten nicht dazu taugen, aussagekräftige Werte für die Häufigkeiten von Wasserstoff, Helium, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Neon zu gewinnen, weil diese Elemente teilweise aus den Meteoriten verdampft sind, bringen sie doch hervorragende Übereinstimmungen bei den anderen Elementen.

Die neuen solaren Elementhäufigkeiten erklären auch einen lange Zeit rätselhaften Befund: Warum enthält die Sonne, die vor 4,5 Milliarden Jahren entstanden ist, mehr schwere Elemente als das heutige interstellare Medium und als junge, massereiche Sterne in der galaktischen Nachbarschaft? Eigentlich sollte der Gehalt von Elementen schwerer als Helium in der Milchstraße mit der Zeit kontinuierlich ansteigen, weil massereiche Sterne fortwährend entstehen und nach wenigen Millionen Jahren als Supernovae verglühen und dabei das in ihrem nuklearen Feuer mit schweren Elementen angereicherte Material ins interstellare Gas schleudern, aus dem sich dann die nächste Sterngeneration bildet. Die neu bestimmten solaren Häufigkeiten lassen die Sonne in dieser Hinsicht als normal erscheinen.

Doch nicht alles ist an diesem geänderten astronomischen Maßstab in bester Ordnung. Der niedrigere Gehalt an schweren Elementen zieht veränderte Bedingungen in den tiefen Schichten von Sonnen- und Sternstrukturmodellen nach sich. Der nun vorhergesagte Verlauf der Schallgeschwindigkeit mit zunehmender Tiefe ist im krassen Widerspruch zum Verhalten, das man aus Messungen von Sonnenoszillationen (d.h. Schwingungen der Sonne) ableitet. Weil Schallwellen unterschiedlicher Wellenlängen in unterschiedliche Tiefen der Sonne vordringen, läßt sich die Variation der Schallgeschwindigkeit durch Messungen bestimmen. Diese Technik wird Helioseismologie genannt.

Die neuen Daten zur chemischen Zusammensetzung der Sonne haben bereits eine Reihe von Untersuchungen angeregt, um die Lösung dieses Problems zu finden. Etliche mögliche Erklärungen wurden vorgeschlagen, aber die meisten mussten wieder verworfen werden. Wie auch immer die finale Antwort sein wird, sie wird unser Verständnis der Sonne und anderer Sterne mit Sicherheit vertiefen und damit auch helfen, das Universum als Ganzes besser zu begreifen.


Martin Asplund


Veröffentlichung:

Martin Asplund, Nicolas Grevesse, Jacques Sauval and Pat Scott, "The chemical composition of the Sun", 2009, Annual Reviews in Astronomy and Astrophysics (im Druck)



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Letzte Änderung: 1.5.2009