Sola i all sin prakt, sett i UV-delen av spektrumet. Men hvilke prosesser er det egentlig som foregår her inne?
Sola i all sin prakt, sett i UV-delen av spektrumet. Men hvilke prosesser er det egentlig som foregår her inne?

Partikkel­eksperiment bekrefter gammel teori om hva som faktisk skjer inne i sola

Det skjer to typer fusjon der inne. Det kan kanskje fortelle oss nøyaktig hva som finnes inne i sola.

Fotoner fra sola, elementærpartiklene som står for det meste lyset vi ser i løpet av dagen, er veldig åpenbare. Sola lager lys.

Men dette er langt fra de eneste elementærpartiklene som strømmer ut fra solsystemets stjerne. Nøytrinoer i ubegripelige mengder strømmer også ut av sola. De passerer tvers gjennom deg, meg, sola og alt annet uten å gjøre så mye ut av seg.

Noen av disse nøytrinoene kan stamme fra en spesiell type energiproduksjon inne i sola, som bare står for rundt 1 prosent av all energien stjernen vår produserer. Men dette har vært teoretisk- fram til nå, ifølge en ny forskningsartikkel publisert i tidsskriftet Nature.

Denne energiproduksjonen kan si noe om hvor mye det er av ulike grunnstoffer inne i sola, som igjen kan si noe om hvordan forholdene var da sola ble dannet, ifølge forskerne.

Energien lekker ut

Fysikere estimerer at rundt 65 milliarder nøytrinoer passerer gjennom hver eneste kvadratcentimeter hvert sekund, nesten uten at det har noe å si. Egenskapene til nøytrinoene gjør at de nesten ikke påvirkes av vanlige, mer håndfaste ting. De er det forskerne kaller nøytrale.

Det er samtidig vanskelig å snakke om partikler i konkrete tall, fordi en partikkel beskriver noe langt mer mystisk og komplisert enn navnet skulle tilsi. Dette kan du lese mer om på forskning.no.

Men nøytrinoer er altså noe reelt, og rundt omkring i verden er det bygget detektorer som prøver å plukke opp de svært sjeldne gangene et nøytrino faktisk kolliderer med en annen partikkel her på jorden.

På sørpolen er en kubikkilometer med is gjort om til en nøytrino-detektor, som du også kan lese mer om på forskning.no.

Sola er den store kilden til nøytrinoer i vårt nabolag, og både lyset, varmen og nøytrinoene er energi som pumpes ut av sola på grunn av energiproduksjonen som skjer der inne. Og nøytrinoene som sendes ut fra solkjernen kommer til jorden rundt åtte minutter etter at de produseres, siden de bare fortsetter gjennom materie som om det var nesten ingenting.

– Dette gjelder ikke fotonene som kommer ut av sola, sier Are Raklev til forskning.no. Han er partikkelfysiker og professor ved Fysisk institutt ved UiO.

Borexino-tanken fra utsiden. Anlegget ligger under ett fjell, for å gi best mulig beskyttelse fra andre strålingskilder.
Borexino-tanken fra utsiden. Anlegget ligger under ett fjell, for å gi best mulig beskyttelse fra andre strålingskilder.

Denne strålingen bruker flere tusen år på fraktes gjennom lagene på sola, før den stråles ut fra soloverflaten.

– Og det skal vi være glade for, hvis ikke så hadde strålingen vært så høyenergisk at den hadde gjort oss alle til radioaktive, grønne hulker, sier Raklev.

Den eneste muligheten

Nøytrinoene fra sola gjør det mulig forskerne å gjøre en direkte måling av hva som skjer inne i sola. Det er faktisk den eneste muligheten de har.

– Den indre kjernen av sola er skjult for oss på grunn av alle lagene som ligger rundt, så vi ser ikke inn i den kjernefysiske prosessen som skjer der inne.

Men et italiensk partikkel-eksperiment kalt Borexino har nå målt nøytrinoer fra sola fra 2013 til 2020. Og nå mener forskerne at de har bevis for at det skjer to forskjellige fusjonsprosesser inne i sola.

Eksperimentet har ikke kunnet identifisere enkelt-nøytroner med spesielle karakteristikker som kan spores til den ene eller den andre prosessen, men de ser på den totale mengden nøytrinoer som kan måles i detektoren.

Raklev forklarer at forskerne har sett så mange nøytrinoer i detektoren at det ikke kan forklares uten at det må foregå to forskjellige fusjonsvarianter i sola.

Detektoren måler lys i en væske som blinker til når ett nøytrino en ekstremt sjelden gang treffer en annen partikkel, som skjer noen få ganger hver dag.

Slik ser innsiden av Borexino-eksperimentet ut på innsiden, under vedlikehold.
Slik ser innsiden av Borexino-eksperimentet ut på innsiden, under vedlikehold.

Teorien om at det foregår flere typer fusjon inne i sola stammer helt fra 1930-tallet, men siden nøytrinoer er så vanskelige å måle, har det ikke vært bevis for at modellene stemmer - før nå.

Men hvorfor er det to forskjellige måter å drive fusjonen på? Og hva er forskjellen på dem?

Fusjonsenergi på to vis

Sola drives av fusjonsenergi, energien som frigjøres når atomkjerner smelter sammen og danner nye stoffer. Det er her nøytrinoene og fotonene kommer fra.

Dette krever ekstremt høye temperaturer og trykk. Inne i sola er det over 15 millioner grader, og et trykk på over 250 milliarder ganger vår egen atmosfære.

Fusjonskraftverk har lenge vært en drøm på jorda, siden du får masse ren energi ut av lite drivstoff. Men effektiv fusjon har vist seg å være en krevende ting å få til her, som du kan lese mer om i denne forskning.no-saken fra UiT - Norges arktiske universitet.

Energien i sola kommer altså tydeligvis fra to forskjellige fusjonsprosesser som går samtidig, ifølge den nye forskningen. Den ene er den klart viktigste for oss og for sola: Proton-protonkjeden.

Her omdannes hydrogen til helium ved at hydrogenkjerner smelter sammen. Rundt 99 prosent av solas energi kommer fra denne typen fusjon.

Men den siste, ene prosenten skjuler en helt annen historie.

Den lages av CNO-syklusen, som står for karbon, nitrogen og oksygen. Og for litt mer massive stjerner enn sola, er det CNO-syklusen som er den viktigste energiprodusenten.

– Dette henger sammen med trykk og temperatur, sier Are Raklev til forskning.no.

Hvis stjernen er mer enn 1,3 ganger så massiv som sola, så blir CNO-syklusen det som driver hele energimaskineriet. Da er temperaturen og trykket høyere, og stjernen når et vippepunkt.

Hele CNO-syklusen, den varianten som sannsynligvis skjer inn i solen. Dette er kompliserte saker.
Hele CNO-syklusen, den varianten som sannsynligvis skjer inn i solen. Dette er kompliserte saker.

– Solas kjerne er rundt 15 millioner grader, og CNO-syklusen blir dominant rundt 17 millioner grader, sier Raklev.

Forskerne anslår at det er denne prosessen som lager mest helium i hele universet.

– I den store sammenhengen er sola vår en liten og lett stjerne, sier Raklev til forskning.no.

CNO-syklusen er veldig annerledes enn den andre varianten, og bruker de tre grunnstoffene som virkemidler til å konvertere hydrogen til helium. Så resultatet er det samme, men med en annen metode.

– Stoffene brukes heller ikke opp, dette er en syklus.

Dette er en komplisert prosess, og den blir mer effektiv og endrer seg jo høyere trykk og temperaturen blir. Jo mer massiv og diger stjernen er, desto kortere tid bruker den på å bruke opp brennstoffet sitt.

Og grunnstoffene som trengs i CNO-syklusen er arvet fra tidligere stjerner.

Dette er et bilde av supernovaen SN 1987A, som var det første objektet annet enn vår egen sol som det faktisk ble målt nøytrinoer fra. Bilde til høyre er blåst opp fra detaljen i midten av bildet.
Dette er et bilde av supernovaen SN 1987A, som var det første objektet annet enn vår egen sol som det faktisk ble målt nøytrinoer fra. Bilde til høyre er blåst opp fra detaljen i midten av bildet.

Universets begynnelse

Som de fleste andre stjerner i universet består sola hovedsakelig av hydrogen, selve brenselet i fusjonen.

Men hvorfor er sola og veldig mye annet i universet laget av hydrogen?

– Da må vi helt tilbake til universets begynnelse, sier Raklev.

– Da var det stort sett bare hydrogen i hele universet, og litt helium.

De tidligste stjernene besto bare av disse stoffene, og de kunne dermed bare bruke solas hoved-fusjonsvariant.

Men etterhvert som deres levetid var over, ble nye grunnstoffer skapt i disse stjernene, både mens de levde og mens de eksploderte. Disse grunnstoffene ble spredt i universet, og havnet inne i nye stjerner sammen med hydrogen og helium.

Dette er de fleste andre grunnstoff i universet. Også karbon, nitrogen og oksygen som finnes inne i sola.

Dette kaller astronomene for metallisitet, og det beskriver alle grunnstoffene inne i sola som ikke er hydrogen eller helium.

Og målinger av CNO-syklusen kan si noe presist om hvor mye av disse grunnstoffene som finnes inne i sola.

– Dette er viktig vitenskapelig fordi det sier noe om bakgrunnen til vår egen sol, sier Raklev.

Alt dette henger sammen med hvor lenge vi kan forvente at sola faktisk kommer til å fortsette å brenne, og hvordan den kommer til å ende stjernelivet sitt, ifølge magasinet The Atlantic.

Da sola ble dannet ble disse grunnstoffene kapslet inn i kjernen, og det har ikke endret seg siden solsystemet ble til for rundt 4,6 milliarder år siden.

Det er flere metoder for å anslå metallisiteten, altså grunnstoffer som finnes i sola utenom hydrogen eller helium, men til nå har de gitt sprikende svar.

Resultatet fra nøytrino-eksperimentet er ennå ikke presist nok til å anslå nøyaktige mengder, men det er flere steg på veien mot et godt anslag, skriver Gabriel Orebi Gann, fysiker ved amerikanske UC Berkeley, i en kommentar i tidsskriftet Nature.

Referanse:

Borexino collaboration mfl: Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun. Nature, 2020. DOI: 10.1038/s41586-020-2934-0. Sammendrag

Powered by Labrador CMS