A Standard szoláris modell a Nap mint gázgömb matematikai ábrázolása (különböző ionizációs fokú), amelyben a hidrogén a belső régióban teljesen ionizált plazmává válik. Ennek a modellnek, amely egy csillag gömbszimmetrikus kvázi statikus modellje, a fizika alapelveiből származó több differenciálegyenlet írja le a szerkezetét. Ennek a modellnek vannak korlátai a peremfeltételek formájában , nevezetesen a Nap fényessége, sugara, kora és összetétele, amelyeket meglehetősen pontosan határoznak meg.
A Nap kora közvetlenül nem mérhető; becslésének egyik módja a legrégebbi meteoritok kora és a Naprendszer evolúciós modelljei. [1] A modern Nap fotoszférájának összetétele 74,9 tömegszázalék hidrogént és 23,8 tömegszázalék héliumot tartalmaz. [2] Minden nehezebb elem, amelyet a csillagászatban fémnek neveznek , a tömeg kevesebb mint 2 százalékát tartalmazza. A Nap Standard Modelljét a csillagfejlődés elméletének tesztelésére használják. Valójában a csillagfejlődési modell két szabad paraméterének (hélium abundancia és keveredési skála) meghatározásának egyetlen módja az, hogy a modellt a megfigyelési adatokba illesztjük.
Egy csillag nulla életkorúnak tekinthető, ha feltételezzük, hogy homogén összetételű, és éppen most kezdi előállítani sugárzásának nagy részét magreakciókból; így figyelmen kívül hagyjuk a gáz- és porfelhőből származó kompressziós időt. Egy szabványos modell elkészítéséhez egy nulla korú naptömegű csillagot veszünk számításba, és evolúcióját a Nap jelenlegi koráig számszerűen megbecsüljük. A nulla korban lévő kémiai elemek tartalmát a legősibb meteoritok összetételéből becsülik meg. [2] Az elembőségre vonatkozó információkkal együtt egy ésszerű nulla korú fényességbecslés (például a Nap jelenlegi fényessége) iteratív módon a modell megfelelő értékévé válik; A hőmérséklet, a nyomás és a sűrűség kiszámítása a csillagszerkezet egyenleteinek megoldásával történik, a csillag stacionárius állapotának feltételezése mellett. Ezután numerikus számításokat végeznek a paraméterekről a csillag aktuális korának pillanatáig. A fényesség mért értékei, a felületi nehézelem-tartalom és a modell keretein belül előrejelzett egyéb paraméterek közötti különbség felhasználható a modell finomításához. Például a Nap kialakulása óta bizonyos mennyiségű hélium és nehezebb elemek tűntek el a fotoszférából miatt. Ennek eredményeként a Nap fotoszférája jelenleg a protocsillagok naplégkörében található hélium és nehéz elemek mennyiségének körülbelül 87%-át tartalmazza. A protocsillag állapotában a fotoszféra 71,1% hidrogént, 27,4% héliumot és 1,5% fémet tartalmazott. [2] Pontosabb modell létrehozásához a diffúziós paraméterek jobb ismerete szükséges.
A csillagok szerkezetére vonatkozó differenciálegyenletek, mint például a hidrosztatikus egyensúlyi egyenlet, numerikusan integráltak. A differenciálegyenleteket ebben az esetben differenciálegyenletekkel közelítjük . A csillagot gömbhéjak halmaza ábrázolja, a numerikus integrációt a héj sugarainak kis növekményeinek értékével hajtjuk végre az állapotegyenlet segítségével , amely összefüggéseket ad a nyomásra, az átlátszóságra és az energiatermelés sebességére a sűrűségtől, hőmérséklettől és kémiai összetétel. [3]
A Nap magjában lezajló nukleáris reakciók megváltoztatják kémiai összetételét a hidrogénnek a magban héliummá történő feldolgozása során a proton-proton reakciók során és (kisebb mértékben a Napban és nagyobb mértékben a tömeges csillagokban) a CNO ciklusban . Ebben az esetben a magban lévő anyag molekulatömege megnő, ami a nyomás csökkenéséhez vezet. Mivel a mag elkezd zsugorodni, a nyomás egészében nem csökken. A viriális tétel szerint a kompresszió során felszabaduló gravitációs potenciálenergia felét az atommag melegítésére fordítják, a másik felét pedig kisugározzák. Az ideális gázra vonatkozó törvény szerint ez a hőmérséklet-emelkedés nyomásnövekedést is eredményez, aminek következtében a hidrosztatikai egyensúly helyreáll . A Nap fényereje a hőmérséklet emelkedésével növekszik, ami a magreakciók sebességének növekedéséhez vezet. A külső rétegek kitágulnak, hogy kompenzálják a hőmérséklet- és nyomásgradiens növekedését, így a sugár is növekszik. [3]
A csillagok egyike sem statikus, de a csillagok hosszú ideig a fő sorozatban maradnak. A Nap hozzávetőlegesen 4,6 milliárd évet töltött a fősorozaton, és 6,5 milliárd éven belül vörös óriássá válik [4] , amelynek teljes élettartama 11 milliárd (10 10 ) év. Ezért az egyensúlyi állapot közelítése jó közelítés. Az egyszerűsítés kedvéért a csillagszerkezeti egyenletek explicit időfüggés nélkül vannak felírva, kivéve a fényerő gradiens egyenletét:
Itt L a fényesség, ε az egységnyi tömegre jutó energiatermelés sebessége, ε ν a neutrínók kibocsátásából adódó fényerő. A Nap lassú fejlődését a fősorozaton a különböző típusú atomok számának változása határozza meg (főleg a hidrogéntartalom csökken, az oxigén mennyisége nő). A különféle magreakciók sebességét nagyenergiájú részecskefizikai kísérletekből becsülik meg, és a csillagok belső régióinak alacsony energiáira extrapolálják (a Nap viszonylag lassan égeti el az oxigént). Történelmi szempontból a nukleáris reakciók sebességének hibái adták a csillagmodellezés legnagyobb hibáinak forrását. A kémiai elemek tartalmának meghatározására számítógépes számításokat alkalmaznak. Egyes atommagtípusoknak saját keletkezési és pusztulási sebességük van, ezért meg kell határozni számukat a teljes evolúciós periódusban, különböző hőmérsékleti és sűrűségi feltételek mellett.
A Vogt-Russell-tétel szerint a tömeg és a kémiai összetétel csillagon belüli eloszlása egyértelműen meghatározza a csillag sugarát, fényességét és belső szerkezetét, valamint az azt követő evolúciót (bár a tétel eredetileg csak lassú, stabil szakaszokat írt volna le. a csillagfejlődésről, és nem felelt meg az evolúció egyik szakaszából a másikba való átmenetnek). [3]
A különböző részecskék időben változó mennyiségére vonatkozó információ és az állapotegyenletek elegendő információ a csillagszerkezeti egyenletek kis időnövekedéssel és iterációval történő numerikus megoldásához.
A Nap szabványos modelljének létrehozásának céljai a következők:
A szabványos részecskefizikai és a standard kozmológiai modellekhez hasonlóan a szabványos szoláris modell is idővel változik, mivel új elméleti vagy megfigyelési jelenségeket kell igazolni.
A napnak van egy magja, amelyben sugárzási energiaátadás történik, és egy konvektív külső héj. A magban a magreakciók során keletkező fényerő főként sugárzással kerül a külső rétegekbe. A külső rétegekben azonban olyan nagy a hőmérsékleti gradiens, hogy a sugárzási transzport nem tud elegendő energiát szállítani. Ennek eredményeként az energiaátadás termikus konvekcióval történik, melynek során a forróbb anyag kerül át a csillag felszínére. Mivel a felületen lehűlés történik, az anyag mélyen visszasüllyed a konvektív zónába, és a sugárzási átviteli terület határán újra felmelegszik.
A napmodellben a csillagok szerkezetének elméletében leírtak szerint figyelembe veszik a sűrűséget , a hőmérsékletet T(r), a teljes nyomást (anyag és sugárzás) P(r), a fényerőt l(r) és az egyenkénti energiatermelés sebességét. egységnyi tömeg ε(r) egy dr vastagságú gömbhéjban a csillag középpontjától r távolságra.
A sugárzó energiaátvitelt a hőmérsékleti gradiens egyenlet írja le:
ahol κ az anyag átlátszatlanságának mutatója, σ a Stefan-Boltzmann-állandó, a Boltzmann-állandót egységnek vesszük.
A konvekciót a keveredési hossz elméletével [5] írjuk le, az adiabatikus konvekció hőmérsékleti gradiensének megfelelő egyenletével:
ahol γ = c p / c v az adiabatikus kitevő . Teljesen ionizált ideális gáz esetén az adiabatikus kitevő γ = 5/3.
A Nap konvektív zónájának alsó határa közelében a konvekció adiabatikus, a felszín közelében viszont nem.
A konvektív zóna felső részének valósághűbb leírása a részletes 3D időfüggő hidrodinamikai modellezés keretein belül válik lehetővé, figyelembe véve a légkörben történő sugárzási transzportot. [6] Az ilyen típusú modellezés sikeresen reprodukálja a szoláris granuláció megfigyelt felületi szerkezetét [7] , valamint a napemissziós spektrum vonalprofiljainak részleteit paraméteres turbulenciamodellek alkalmazása nélkül. [8] A szimuláció a Nap sugarának csak egy kis töredékét írja le, és túl sok számítási időt vesz igénybe, ezért nem szerepel a Nap teljes szimulációjában. Az átlagolt szimulációs eredményeket a konvektív zóna adiabatikus tartományában a keveredési hossz elmélet segítségével végzett extrapolációja azt mutatja, hogy a szimulációból kapott adiabát összhangban van a szoláris konvektív zóna helioseizmológiai módszerekkel meghatározott mélységével . [9] Kidolgozták a keveredési hossz-elmélet általánosítását, beleértve a turbulens nyomás és a mozgási energia hatását is, numerikus szimulációk eredményei alapján. [tíz]
A csillagszerkezet differenciálegyenleteinek numerikus modellezéséhez meg kell oldani a nyomás, az átlátszatlanság és az energiafelszabadulási sebesség állapotegyenleteit, amint azt a csillagszerkezet elmélete írja le, amely ezeket a mennyiségeket a sűrűséggel, hőmérséklettel és kémiai összetétellel hozza összefüggésbe.
A helioszeizmológia a Nap hullámoszcillációit vizsgálja. E hullámok terjedésének változásai a Napban feltárják a Nap belső szerkezetét, és lehetővé teszik az asztrofizikusok számára, hogy nagyon részletes profilokat dolgozzanak ki a Napon belüli körülményekre vonatkozóan. Különösen a konvektív zóna helyének meghatározására van lehetőség a Nap külső rétegeiben, és a Nap magjával kapcsolatos információk a standard modell módszereivel együtt lehetővé teszik a Nap korának becslését. , függetlenül a korbecslés módszerétől a legrégebbi meteoritok korától. [tizenegy]
A hidrogén a Nap bizonyos reakciói során héliummá alakul. A legtöbb neutrínó proton-proton reakciókban jön létre , amelyek során négy proton két protonná, két neutronná, két pozitronná és két elektronneutrínóvá alakul. A CNO-ciklus részeként neutrínók is keletkeznek , de ez a folyamat sokkal kevésbé hatékony a Napban, mint más csillagokban.
A legtöbb neutrínó a Napban jön létre a proton-proton lánc első lépéseként, de energiájuk olyan alacsony (<0,425 MeV ) [12] , hogy nehezen észlelhetők. A proton-proton ciklus ritka változása körülbelül 15 MeV maximális energiájú bór-8 fúziós neutrínókat hoz létre, és ezeket a neutrínókat a legkönnyebb észlelni. Egy nagyon ritka kölcsönhatás nagy energiájú neutrínókat hoz létre. A maximális energia 18 MeV.
A fent leírt kölcsönhatások mindegyike bizonyos energiaspektrumú neutrínókat hoz létre. A 7 Be elektronikus befogása körülbelül 0,862 MeV (~90%) vagy 0,384 MeV (~10%) energiájú neutrínókat hoz létre. [12]
A neutrínók más részecskékkel való gyenge kölcsönhatása azt jelenti, hogy a Nap magjában keletkezett neutrínók többsége elnyelés nélkül képes átrepülni a Napon. Következésképpen ezeknek a neutrínóknak a megfigyelése során lehetővé válik a Nap magjának közvetlen megfigyelése.
A kozmikus neutrínók sikeres kimutatására szolgáló első kísérletet - a klór-argon kísérletet - Raymond Davies fejlesztette ki , amelyben a neutrínókat úgy mutatták ki, hogy megfigyelték a klóratomok atommagjainak átmenetét a radioaktív argon atommagjaiba nagy mennyiségű perklór -etilénben . A regisztrált neutrínók száma nem adott információt arról, hogy pontosan honnan származnak a neutrínóadatok. A kísérletben a Standard Modell által megjósolt neutrínók számának csak egyharmadát mutatták ki, ezt az elmélet és a megfigyelések közötti eltérést a napneutrínók problémájának nevezték.
Bár ma már köztudott, hogy a klór-argon kísérlet során valóban észleltek neutrínókat, a kísérlet idején egyes fizikusok kételkedtek az eredményekben, mert nem bíztak az ilyen radiokémiai módszerekben. A szoláris neutrínók egyértelműbb kimutatását a Kamiokande-II kísérlet keretében végezték el, amelyben a regisztrálás egy vízi Cserenkov detektoron történt, amelynek alacsony energiaküszöbe volt a neutrínók detektálására a neutrínó-elektron rugalmas szórásban. A rugalmas szórás során kölcsönhatásba lépve a reakciópontból kibocsátott elektronok szigorúan a neutrínók mozgásának irányát jelzik. A Napra való visszamutatás képessége volt az első meggyőző bizonyíték arra, hogy a Nap a középpontban lezajló nukleáris reakciókból termel energiát. Mivel a Kamiokande-II kísérletben kimutatott neutrínók egyértelműen a Napból származnak, így a megfigyelt neutrínók számát ismét össze lehetett hasonlítani az elméletivel. A detektált neutrínók száma fele az elméletinek.
A Sudbury Obszervatóriumban ( SNO ) kísérleti úton megoldást találtak a napneutrínó problémájára. A radiokémiai kísérletekről kiderült, hogy csak az elektronneutrínókra voltak érzékenyek, és a vízi Cserenkov-kísérletek is főként elektronneutrínók észlelésekor jelentkeztek. Ezzel szemben a Sudbury-kísérlet mindhárom fajta neutrínóra érzékeny volt. Az elektron neutrínó fluxusának és a teljes neutrínó fluxusának együttes mérése során a kísérlet kimutatta, hogy a regisztrált neutrínók számának csökkenése a Mikheev-Smirnov-Wolfenstein effektusnak köszönhető . [12] A víz-Cserenkov detektorok csak 5 MeV feletti energiájú neutrínókat észlelnek, míg a radiokémiai kísérletek kisebb energiájú neutrínókat (0,8 MeV klórnál, 0,2 MeV galliumnál), ami eltérést okozott a detektált neutrínók hányadának arányában.
A proton-proton reakcióláncból származó összes neutrínót kimutatták, kivéve a nagyenergiájú neutrínókat. Háromféle módszert alkalmaztak. A Homestake, Gallex , GNO és SAGE kísérletekben alkalmazott radiokémiai technikák lehetővé tették a neutrínók fluxusának mérését a minimális energia felett. Az SNO detektor deutérium szórást használt, ami lehetővé tette az egyes jelenségek energiájának mérését, és ebből következően az elméleti neutrínófluxus egyes összetevőinek meghatározását. A Kamiokande, a Super-Kamiokande , az SNO, a Borexino és a KamLAND rugalmas szórást használtak az elektronokon a neutrínók energiájának mérésére. Bór-8 neutrínókat regisztráltak a Kamiokande, Super-Kamiokande, SNO, Borexino, KamLAND kísérletekben. A berillium-7 neutrínókat és proton-proton láncokat eddig csak a Borexino észlelte.
A legnagyobb energiájú neutrínókat a bór-8 neutrínó fluxusához képest alacsony fluxus miatt még nem figyelték meg, így fluxusuknak csak felső határai vannak. Eddig egyetlen kísérletnek sem volt megfelelő érzékenysége a Standard Modell által megjósolt neutrínóáram megfigyeléséhez.
A CNO ciklusban keletkező neutrínók várhatóan megfigyelhető megnyilvánulásokkal rendelkeznek 1 MeV alatti energiákkal. A háttérzaj jelenléte miatt jelenleg nem figyelték meg őket. Az ultraprecíz szcintillációs vevők képesek a modell által előre jelzett fluxus mérésére. Az ilyen típusú neutrínók kimutatása a Borexino-kísérletben lehetséges; várhatóan az SNO+, a LENA és a JUNO kísérletekben is kimutatni fognak ilyen neutrínókat, amelyek ugyanazokat az elveket használják majd, mint a Borexino.
Bár a radiokémiai kísérletek proton-proton láncok és a berillium-7 neutrínóit figyelték meg, mégis csak integrált fluxusokat mértek. A kísérletek célja berillium-7 neutrínók kimutatása egy olyan kísérletben, amelyben a műszerek érzékenysége lehetővé teszi az egyes neutrínók meghatározását. Ebben az esetben lehetőség lesz a Mikheev-Smirnov-Wolfenstein hatás tesztelésére. Mivel egyes egzotikus modellek a szoláris neutrínók hiányát is képesek megmagyarázni, a Mikheev-Smirnov-Wolfenstein hatás közvetlen megfigyelése végül megoldja a szoláris neutrínók problémáját.
A bór-8 neutrínó fluxusa nagyon érzékeny a Nap magjában lévő hőmérsékletre, . [13] Emiatt a bór-8 neutrínó fluxusának pontos mérése alkalmazható a Szabványos Napmodellben, hogy megbecsüljük a Nap magjának hőmérsékletét. Ezt a becslést Fiorentini és Ricci készítette az SNO első eredményeinek megszerzése után, a hőmérsékleti érték az 5,2·10 6 /cm 2 ·s neutrínófluxuson alapult . [tizennégy]
A napfejlődési modell a lítium (Li) tartalom kivételével jól előrejelzi a napfelszín kémiai összetételét. A lítium felszíni mennyisége a Napban 140-szer kisebb, mint a protocsillagok értéke (vagyis a lítium kezdeti mennyisége a Nap születésének szakaszában), [15] bár a hőmérséklet a konvektív zóna alján. nem elég forró az égéshez, és ezért csökkenti a lítium mennyiségét. [16] Ezt az eltérést szoláris lítium problémának nevezik. A Naphoz hasonló korú, tömegű és fémes csillagokban a lítiumtartalom széles tartományban változhat. Az ilyen típusú csillagok eltolatlan mintáinak megfigyelései bolygórendszerek jelenlétében és hiányában is azt mutatták, hogy a bolygókkal rendelkező csillagok lítiumtartalma kevesebb, mint 1% az eredetihez képest, a többi csillagban pedig a lítium fele. tartalom tízszer magasabb. Feltételezik, hogy a bolygók jelenléte növelheti a keveredés mértékét és olyan mértékben elmélyítheti a konvektív zónát, hogy a lítium éghet. Lehetséges mechanizmus lehet a bolygók hatása a csillag impulzusimpulzusának változására, ami megváltoztatja a csillag forgásának paramétereit a hasonló, bolygó nélküli csillagokhoz képest. A Nap esetében a forgás lelassult. [17] További kutatások szükségesek annak megállapításához, hogy mely esetekben szűnik meg a modell helyessége. A Nap belső szerkezetére vonatkozó modern helioszeizmológiai vizsgálatok pontossága azt mutatja, hogy a standard modellnek bizonyos változtatásokon kell keresztülmennie.
Szótárak és enciklopédiák |
---|
Nap | ||
---|---|---|
Szerkezet | ||
Légkör | ||
Kiterjesztett szerkezet | ||
A Naphoz kapcsolódó jelenségek | ||
Kapcsolódó témák | ||
Spektrális osztály : G2 |