Die Sonne gilt als der am besten vermessene Stern des Universums und dient als Referenz für die chemische Zusammensetzung des gesamten Sonnensystems. Ausgerechnet beim Silber klaffte jedoch seit Jahren eine Lücke zwischen dem Wert in der Sonnenatmosphäre und dem Gehalt in urtümlichen Meteoriten, die aus derselben Urwolke stammen. Ein Team der Universität Uppsala hat die Berechnung nun mit einem dreidimensionalen Modell wiederholt und kommt auf einen deutlich höheren Wert. Die Korrektur beträgt 0,19 dex und damit rund 55 Prozent. Neu entdeckt wurde dabei kein einziges Atom.
Die Sonne besteht fast vollständig aus Wasserstoff und Helium, nur etwa 1,5 Prozent ihrer Masse entfallen auf schwerere Elemente wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Eisen oder eben Silber. So gering dieser Anteil auch ist, er wirkt als chemisches Archiv, weil jedes dieser Elemente in Sternen entstanden ist und seine Häufigkeit verrät, welche Prozesse die Milchstraße geprägt haben. Als nächstgelegener Stern ist sie zugleich das Kalibriermaß der Astrophysik, weshalb Messungen an ihr auch ganz andere Fragen berühren, etwa wenn neue NASA-Messungen die angenommene Obergrenze für einen Sonnensturm verschieben, die für die Technik auf der Erde entscheidend ist. Bestimmt wird der Elementgehalt über Spektroskopie, denn Atome in den äußeren Schichten absorbieren bestimmte Wellenlängen und hinterlassen dunkle Absorptionslinien im Spektrum. Jedes Element erzeugt dabei ein unverwechselbares Muster, das sich wie ein Fingerabdruck lesen lässt.
Das Silberproblem entstand aus einem Vergleich, der eigentlich aufgehen müsste. Die Sonne und die sogenannten CI-Chondrite, die chemisch ursprünglichsten bekannten Meteoriten, entstanden vor rund 4,6 Milliarden Jahren aus derselben kollabierenden Gas- und Staubwolke. Ihre Zusammensetzung sollte deshalb Element für Element übereinstimmen, und über weite Teile des Periodensystems tut sie das auch. Beim Silber jedoch wies der seit 2015 gebräuchliche Wert für die Photosphäre einen auffällig niedrigen Gehalt aus, als sei ein Teil des Metalls auf dem Weg verloren gegangen. Vorgeschlagen wurden dafür verschiedene Erklärungen, von unbekannten Trennprozessen in der frühen Scheibe bis zu Besonderheiten in der Entstehung schwerer Elemente. Getestet wurde dagegen kaum, ob nicht schlicht das Modell der Sonnenatmosphäre die Ursache sein könnte. Genau dort setzt die neue Arbeit an.
Frühere Bestimmungen beruhten auf einem eindimensionalen Modell im lokalen thermodynamischen Gleichgewicht. Diese Vereinfachung nimmt an, dass die Besetzung der Energieniveaus eines Atoms allein durch die lokale Temperatur bestimmt wird. In der realen Photosphäre trifft das nicht zu, weil das durchlaufende Strahlungsfeld die Atome fortlaufend umverteilt und die Gasströmungen der Granulation Temperatur und Dichte kleinräumig schwanken lassen. Bei starken Linien häufiger Elemente fällt der Fehler kaum ins Gewicht, bei schwachen Linien seltener Spurenelemente dagegen sehr wohl. Die Gruppe um Sema Caliskan hat deshalb ein dynamisches Dreidimensionalmodell der äußeren Schichten mit verbesserten atomphysikalischen Rechnungen für Silber gekoppelt und beschreibt das Ergebnis in Astronomy and Astrophysics als Korrektur von etwa 0,28 dex gegenüber der klassischen Rechnung. Ein dex entspricht dabei einer Zehnerpotenz in der logarithmischen Häufigkeitsskala.
Silber ist spektroskopisch besonders schwer zu fassen, denn seine beiden stärksten Linien liegen im ultravioletten Bereich und damit außerhalb des für das menschliche Auge sichtbaren Fensters. Zusätzlich stören benachbarte atomare Signale, die die scheinbare Stärke dieser Linien verfälschen, weshalb das Team beide Linien neu vermessen hat. Aus der Kombination ergibt sich ein empfohlener Wert von log εAg gleich 1,15 mit einer Unsicherheit von 0,08. Der bisherige Referenzwert lag bei 0,96 mit einer Unsicherheit von 0,10. Die Differenz von 0,19 dex entspricht einem Anstieg um rund 55 Prozent, und der neue Silberwert liegt damit deutlich näher an dem, was die Meteoriten anzeigen. Wie belastbar solche Verfahren inzwischen sind, zeigt sich auch daran, dass sich mit Spektroskopie mittlerweile die Atmosphäre eines Exoplaneten in der habitablen Zone nachweisen lässt, was noch vor wenigen Jahren als unerreichbar galt.
Die Bedeutung reicht über ein einzelnes Element hinaus. Weil die Sonne als Ankerpunkt für die chemische Häufigkeitsskala dient, wandert jede Korrektur an ihr in Modelle anderer Sterne, in Rekonstruktionen der Planetenentstehung und in Berechnungen zur Entstehung schwerer Elemente. Silber entsteht überwiegend durch Neutroneneinfang in explodierenden Sternen und bei der Verschmelzung von Neutronensternen, sodass sein Gehalt Rückschlüsse auf die Häufigkeit dieser Ereignisse in der Geschichte der Milchstraße erlaubt. Die Universität Uppsala kündigt an, dieselbe Methode auf andere Sterntypen anzuwenden, deren Atmosphären sich in Temperatur, Dichte und Schwerebeschleunigung erheblich unterscheiden. Für die Astrophysik bedeutet das, dass ein Teil der bislang gebuchten Häufigkeitswerte schwerer Elemente auf den Prüfstand gehört. Dort dürften die Abweichungen zwischen vereinfachter und realistischer Rechnung noch größer ausfallen als bei unserem eigenen Stern.
Astronomy and Astrophysics, Ag I model atom and the 3D non-LTE solar silver abundance; doi:10.1051/0004-6361/202659578