La brillante composición de nuestra estrella

Un equipo internacional dirigido por el Prof. Martin Asplund, director del Instituto Max Planck de Astrofísica en Garching, ha completado un programa de investigación de una década de duración, para determinar un criterio astronómico fundamental: la composición química del Sol. Sorprendentemente, los nuevos análisis revelan que el Sol tiene un contenido sustancialmente más pequeño de elementos más pesados que el hidrógeno y el helio que lo que se había pensado, un cambio que tiene repercusiones de gran alcance para nuestra comprensión del sistema solar, las estrellas en general y la evolución de galaxias como la Vía Láctea.

La composición química del sol es un ingrediente importante en nuestra comprensión de la formación, estructura y evolución del Sol y de nuestro sistema solar. Además, es una norma de referencia esencial contra la cual se compara el contenido elemental de otros objetos astronómicos, ya sea de otras estrellas, planetas, nubes de gas en el medio interestelar o conjunto de galaxias. La composición química de una estrella como el Sol se infiere de su espectro de radiación, que proporciona las huellas dactilares elementales en forma de líneas de absorción. Para convertir la intensidad de una línea espectral en la abundancia de un elemento se requiere la modelización detallada de la atmósfera estelar y los procesos entre los átomos y la radiación que conforman el espectro. Para el Sol, surge una gran complicación debido a la convección - el movimiento de burbujas similar al del agua al hervir- la cual modifica la estructura de la atmósfera solar donde se forma el espectro.

La base teórica para el nuevo estudio es un modelo más realista de la atmósfera solar basado en simulaciones hydrodinámicas tridimensionales en comparación con los anteriores modelos unidimensionales. Esta ardua tarea ha sido promovida y refinada sistemáticamente por el grupo del MPA, junto con sus colegas en Dinamarca, EE.UU. y Australia. Además, las interacciones entre la radiación y el gas se han seguido en detalle. Por último se han empleado durante todo el proceso datos de entrada nuevos y cuidadosamente seleccionados para las líneas espectrales consideradas.

Refinadas herramientas de análisis y datos atómicos mejorados han permitido al equipo alcanzar una precisión sin precedentes en las mediciones de la composición química solar. Además, en lugar de hacer frente a sólo uno o un puñado de elementos a la vez, como es costumbre hacer en este terreno, el nuevo estudio informa sobre las abundancias para los 71 elementos que pueden determinarse mediante espectroscopía solar. El carácter ambicioso de esta investigación se refleja en los diez años que ha tomado completar el proyecto. La más sorprendente y radical conclusión es que el contenido de carbono, nitrógeno, oxígeno y neón - los cuatro elementos más abundantes después del hidrógeno y el helio - se sitúan sólo alrededor de dos tercios de lo que anteriormente se consideraban. El nuevo modelado en 3D, los cálculos de no-equilibrio del espectro, la mejora de los datos atómicos y una más sólida selección de las líneas espectrales, todo eso desempeña un papel importante para estos elementos y lleva a actuar en la misma dirección. Los nuevos resultados están apoyados por el excelente acuerdo entre las predicciones del modelo 3D solares y diversos diagnósticos de observación. El estudio será publicado en la prestigiosa revista anual Reseñas de Astronomía y Astrofísica a finales de este año, y debería convertirse en el estándar de facto en la astronomía para los años por venir.

La revisión de la composición química solar puede ser validada a través de una comparación con la abundancia en los meteoritos más prístinos que se han mantenido en gran medida inalterados desde la formación del sistema solar. Aunque los meteoritos no se pueden utilizar para medir significativamente la abundancia de H, He, C, N, O y Ne ya que se han evaporado en parte de ellos, el acuerdo para el resto de elementos es excelente. Además, la nueva abundancia de elementos ha resuelto un enigma de larga data, por qué el Sol, que nació hace 4.500 millones de años contenía elementos más pesados que el actual medio interestelar y que las jóvenes estrellas masivas en el vecindario galáctico. El contenido global de los elementos más pesados que el helio en la Vía Láctea debe aumentar de manera constante con el tiempo, a medida que las estrellas mueren y arrojan sus cenizas nucleares transformadas, a partir de la cual las generaciones de estrellas se forman. Los nuevos valores solares hacen al Sol normal en ese sentido.

No todo es, sin embargo, color de rosa, con este nuevo criterio astronómico. El menor contenido de elementos pesados implica cambios en los modelos del interior profundo del Sol y de las estructuras estelares. Las variaciones predichas de la velocidad del sonido como una función de la profundidad se encuentran en claro conflicto con lo inferido observacionalmente de las oscilaciones del sol. Como las ondas sonoras de distintas frecuencias penetran a diferentes profundidades las variaciones de la velocidad del sonido pueden ser mapeadas, una técnica denominado heliosismología. La revisión de la composición química solar ya ha impulsado una serie de estudios dedicados a la búsqueda de una solución a la discrepancia. Varias explicaciones posibles se han presentado pero, por desgracia, la mayoría ya se puede descartar. Cualquiera que sea la solución final, los estudios del Sol y de otras estrellas serán una firme base. Con las estrellas ampliamente utilizadas como sondas del cosmos, esto también significa una mejor comprensión del universo en su conjunto.

Autor: Martin Asplund

Figura 1: La composición química del Sol es un criterio astronómico fundamental contra el que se miden otros objetos cósmicos.
Imagen, crédito: ESA / NASA.

Figura 2: La nueva abundancia de elementos solar determinada por el equipo principal MPA en función del número atómico. Habida cuenta de la abundancia se encuentran en la habitual escala logarítmica astronómico donde el hidrógeno se define como 12. La alta abundancia de hidrógeno y el helio es consecuencia en gran parte de que ellos se produjeron en los primeros minutos después del Big Bang, mientras que todos los demás elementos se han forjado en el fuego interior de las estrellas o en los eventos cataclísmicos de las supernovas que ponen fin a la vida de las mismas. La forma particular del patrón de abundancia solar revela mucho no sólo acerca de la física nuclear y la estructura interior de las estrellas, sino también de cómo una galaxia como la Vía Láctea ha evolucionado con el tiempo.
Imagen, crédito: MPA.

Figura 3: Una comparación entre la nueva medida logarítmica de las abundancias solares con las de los más prístinos meteoritos revelan un muy buen acuerdo con las diferencias en consonancia con la incertidumbre de medición. Tales meteoritos han permanecido inalterados desde la formación del sistema solar hace 4.500 millones de años a excepción de un agotamiento de algunos elementos cruciales como H, He, C, N, O y Ne, que, por lo tanto, deben medirse a través de la espectroscopía solar.
Imagen, crédito: MPA.

Este artículo ha sido traducido del original inglés publicado por el Instituto Max Planck de Astrofisica.

Su titulo original es: The shining make-up of our star.

Referencias sobre el autor:
Annual Reviews
arxiv.org
Le agradezco a Gerardo Blanco de Ultimas noticias del cosmos por informarme sobre estos dos enlaces.

Imagen superior del Sol: crédito: ESA / NASA.

Publicaciones
Martin Asplund, Nicolas Grevesse, Jacques Sauval y Pat Scott, "La composición química del Sol", de 2009, para aparecer en Revisiones anuales en Astronomía y Astrofísica.