當一種確定太陽化學成分的久經考驗的方法，似乎與一種繪製太陽內部結構創新而精確的技術帶來了相互矛盾的結果時，該怎麼辦？
這就是十數年來研究太陽的天文學家所面臨的情況，他們稱之為太陽丰度危機。換句話說，由太陽振盪（日震學）推斷出的太陽內部特徵，與由化學組成的測量加上恆星演化基本理論得出的結論之間，出現了明顯的差異。
直到近期，一組研究團隊發表的最新計算結果，解決了這個長久以來的問題。他們對太陽大氣的重新計算，得出了不同化學元素丰度的最新結果。更有意思的是，太陽比先前認為的含有更多氧、矽和氖。這種方法也保證了對恆星的化學成分能有更準確的估計。
久經考驗的方法：光譜分析
為了確定太陽或者其他任何一顆恆星的化學成分，天文學家通常會求助於光譜，光譜會將光分解成不同的波長，就像彩虹一樣。
恆星光譜包含一些明顯而尖銳的暗線。1802年，威廉·沃拉斯頓首次注意到了這種現象。十幾年後，1814年，著名物理學家約瑟夫·馮·夫琅禾費重新發現了它。到了19世紀60年代，古斯塔夫·基爾霍夫和羅伯特·本生發現，不同的暗線正是暗示某些特定的化學元素存在的關鍵信號。
20世紀20年代，梅格納德·薩哈的開創性研究，將這些吸收線的強度與恆星的溫度和化學成分聯繫在了一起，這為恆星的物理模型奠定了基礎。正是基於薩哈的研究，天體物理學家塞西莉亞·佩恩-加波施金認識到，像太陽這樣的恆星主要由氫和氦組成，除此之外只有微量的更重的化學元素。
從那時起，將光譜特徵與恆星等離子體的化學成分和物理學聯繫在一起的基本計算，就成了我們理解恆星和行星的結構演化，甚至宇宙化學演化的基礎。
太陽光譜。圖中包含了明顯的暗線，根據這些吸收線的性質，天文學家可以推斷出恆星的溫度和化學組成。（圖／M. Bergemann, MPIA, NARVAL@TBL）
2009年，藉助當時最先進的觀測，科學家得到了一套對太陽大氣化學成分的測量資料。天文學家用這套著名的資料校準了太陽演化的現代標準模型。但這只是故事的一半，也是問題的開端。
精確的結構測量：日震資料
太陽會以特徵的模式有節奏地膨脹和收縮，日震資料則非常精確地追蹤了這種太陽整體的微小振盪，時間尺度在幾秒鐘到幾小時之間。
我們都知道，地震波為地質學家提供了關於地球內部的重要資訊，如果敲響一個鈴鐺，它的聲響中同樣編碼著關於它的形狀和材料屬性的資訊。類似的，日震學同樣提供了關於太陽內部的資訊，精確的日震測量可以帶來太陽內部特徵的資料。
但問題在於，日震學的結果與太陽標準模型做出的預測出現了明顯不同。
根據日震學，太陽內部所謂的對流區，也就是物質像煮沸的水一樣上升並再次下沉的區域，比標準模型預測的要大得多。靠近那片區域底部的聲波速度同樣偏離了標準模型的預測。兩者對太陽中氦的總量結論也不相同。除此之外，對太陽中一種轉瞬即逝、難以捉摸的基本粒子，也就是中微子的某些測量結果，也出現了輕微偏差。
太陽丰度危機由此顯現。
解決危機
為了解決這個問題，一些天文學家甚至嘗試提出了完全顛覆性的理論假說，比如有研究試圖找到它和「臭名昭著」的暗物質粒子的關係。
但在這項最新發表的研究中，團隊追根溯源，重新審視了太陽化學成分的光譜估計所依據的模型，成功地化解了這一危機。
早期對恆星光譜如何產生的研究依賴於局域熱平衡（LTE）。這些研究假設，在恆星大氣的每一片區域，能量都有時間擴散並達到一種平衡。這讓科學家可以為每片區域分配一個溫度，計算就得到了明顯簡化。
但早在20世紀50年代，天文學家已經意識到，這種情況過於簡化了。從那時起，越來越多的研究納入了所謂的非LTE計算，而放棄了局域平衡的假設。
非LTE計算包括了對能量如何在系統內交換的詳細描述，比如原子被光子激發或發生碰撞，光子被發射、吸收或散射。恆星大氣的密度過低，實際上無法讓系統達到熱平衡，納入這些細節非常重要。非LTE計算帶來的結果與局域平衡計算會有明顯不同。
正是在LTE計算的框架內，團隊開始更詳細地考慮太陽光球中輻射物質的相互作用。在新研究中，他們追蹤了與目前恆星如何隨時間演化的模型相關的所有化學元素，並應用多種獨立的方法來描述太陽原子和輻射場之間的相互作用，從而確保結果的一致性。
為了描述太陽的對流區，他們使用了現有的模擬，這些模擬同時考慮到了等離子體的運動和輻射的物理學。為了與光譜測量進行比較，他們還選擇了目前質量最高的太陽光譜資料集之一。
有了這些嚴謹的細節保證，新的計算結果表明，一些關鍵化學元素的丰度和相應光譜線的強度之間的關係，與先前研究認為的有很大差異。因此，從觀測到的太陽光譜中得出的化學丰度，實際上與以往分析有所不同。
根據新的分析，太陽包含的比氦更重的元素，比先前推斷的要多26%。在天文學中，這種比氦更重的元素被稱為金屬。在太陽中所有原子核中，只有1%的1‰是金屬。正是這個非常非常小的數字，帶來了26%的差距。此外，氧丰度的值比先前研究的量高出了近15%。
但是，新的數值與原始隕石（CI球粒隕石）的化學成分很一致，這些隕石被認為代表了非常早期太陽系的化學構成。
當這些新的結果被輸入當前的太陽結構和演化模型時，模型得到的結果和日震測量之間的差距便自然消失了。
更新的太陽模型
研究人員表示，基於新的化學成分的更新太陽模型，比之前任何模型都更貼近現實。這種太陽模型與目前擁有的關於太陽結構的所有資訊都一致，包括聲波、中微子、光度和太陽半徑。這說明，我們暫時還不需要那些「更奇異」的物理學來解釋太陽。
新研究還帶來了更大的好處，它能讓我們將模型應用在其他恆星的化學分析中。未來，更多研究會帶來越來越多高質量的恆星光譜，這也能推動對宇宙化學演化更深刻的了解。
#創作團隊：
編譯：Gaviota
排版：雯雯
#參考來源：
https://www.mpg.de/18652392/new-calculations-of-solar-spectrum-resolve-decade-long-controversy-about-the-sun-s-chemical-composition
#圖片來源：
封面圖：Piqsels
首圖：NASA/GSFC/SOHO
