I disse tider er det godt å minne seg selv på at sola snart snur. For de av oss som ikke finner stor glede i å trave rundt i skogen med planker på beina, er det trøst å finne i tanken om at det snart går mot lysere og varmere tider. Vi kan også korte ned tiden der sola ikke er oppe så lenge vi kunne ønske ved å grunne over noen interessante fakta om sola.

At sola lyser viser at kvantefysikk og relativitetsteori fungerer

Sola produserer energien som blant annet blir til lys og varme for oss i sine innerste områder. Prosessene som lager energien består kort fortalt i at fire hydrogenatomkjerner fusjonerer trinnvis til en heliumkjerne. Fire hydrogenkjerner veier mer enn en heliumkjerne, og massesvinnet omdannes til energi i henhold til Einsteins berømte formel E = mc2. At sola skinner er et bevis på at relativitetsteorien stemmer. Men det er mer spennende fysikk i sving her.

Et trinn i prosessen er å få to hydrogenkjerner til å fusjonere. Hydrogenkjernen er en partikkel med positiv elektrisk ladning, protonet. Like ladninger frastøter hverandre, så protonene fusjonerer ikke uten at disse kreftene overvinnes eller omgås. For å overvinne dem må protonene bevege seg med høye hastigheter. Temperaturen til gassen i solas indre bestemmer hvor raskt et typisk proton beveger seg. Et enkelt oversalg viser at vi trenger en temperatur på noen milliarder grader for å få sving på sakene. Men temperaturen i solas kjerne er "bare" femten millioner grader. Allikevel skjer fusjonsprosesser der.

Grunnen til at dette er mulig, er et kvantefysisk fenomen som kalles tunnelering. Partikler kan ha en betydelig sannsynlighet for å dukke opp på steder de i henhold til klassisk fysikk ikke har lov til å være. Det er som å kaste en tennisball mot en vegg og se den gå gjennom veggen i stedet for å sprette tilbake. Faktisk sier kvantefysikken at tennisballen har en sjanse til å gå gjennom veggen, men den er ufattelig liten. Bytter vi ut tennisballer og vegger med protoner i solas indre ved femten millioner grader, blir imidlertid sannsynligheten for at de kan omgå de frastøtende kreftene betydelig. Vi trenger kvantefysikken med dens merkelige beskrivelse av materiens oppførsel på mikroskopisk nivå for å forstå hvordan solen lyser.
Lyset vi ser er eldre enn vi skulle tro
Lys beveger seg fort gjennom tomt rom, mer enn 300 kilometer i sekundet. Sola er 150 millioner kilometer unna oss, så lyset som treffer oss nå har reist i overkant av åtte minutter. Men dette er bare en liten del av tiden lyset fra solas indre bruker på veien til oss. Mesteparten av tiden brukes på å bevege seg fra kjernen til fotosfæren, det laget av sola vi ser. Hvor lang tid tar det? Solas radius er omtrent 700 000 kilometer, så vi ville kanskje gjette at det tar i overkant av to sekunder. Det er feil. Helt hårreisende feil. Lyset bruker mer enn 200 000 år på ferden.

Hvordan er det mulig? For å nå fotosfæren, må lyset bevege seg gjennom et tykt lag med atomer og ioner hvor det hele tiden blir spredt og mister energi. Det kan ikke bevege seg rett fram, for det støter stadig borti partikler og skifter retning. Resultatet er at det beveger seg mye saktere enn det gjør i tomt rom, og bruker lang tid på veien ut. Det er svimlende å tenke på at da lyset vi ser nå ble dannet, hadde homo sapiens ennå ikke vandret ut av Afrika.

Sola avslører materiens minste byggesteiner

Kjernereaksjonene i solas indre produserer ikke bare lys, de lager også en strøm av partikler kalt elektronnøytrinoer. I motsetning til fotoner tar de svært liten notis av atomene og ionene i sola, og kan derfor bevege seg uhindret ut av den. En strøm av disse treffer jorda, omtrent 5 millioner i hver kvadratcentimeter hvert sekund. Fordi de vekselvirker så svakt med materien, gjør de imidlertid ingen skade.

Styrken på nøytrinostrømmen er et mål på hvor mange fusjonsprosesser som skjer i solas indre hvert sekund. Den beste teoretiske modellen for sola lar oss regne ut hvor raskt fusjon må skje for at sola skal skinne slik vi ser den gjør. Å måle nøytrinostrømmen er derfor en viktig test av vår forståelse av sola.

For å måle denne bygde man svære tanker og fylte dem med materiale som har så god evne til å reagere med elektronnøytrinoer som mulig. Men selv med de beste dektorene fanget man bare inn en håndfull nøytrinoer i løpet av et år. De første resultatene var urovekkende, for de viste at nøytrinostrømmen fra sola bare var en tredjedel av hva modellen sa den skulle være.

Det virker opplagt at man da burde ha endret modellen. Men den fungerte for bortimot alt annet enn nøytrinostrømmen, og det var ikke lett å se hva som var galt med den. I tillegg var ikke nøytrinoene veldig godt forstått. For eksempel antok man at de ikke hadde masse, men begrunnelsen for det var ikke særlig dyp. Dersom man droppet denne antakelsen, åpnet det seg en ny mulighet til å løse det solare nøytrinoproblemet. Elektronnøytrinoet er ikke den eneste typen nøytrino, vi har også myon- og taunøytrinoer. Bare elektronnøytrinoer lages i solas indre, men dersom det har masse, kan det komme inn i en slags identitetskrise. Kvantefysikken sier at et elektronnøytrino på ferden mot jorda vil veksle mellom alle tre typene. Det starter som et elektronnøytrino, men kan være et myon- eller taunøytrino når det når detektorene våre. Dersom eksperimentene bare er konstruert for å se elektronnøytrinoer, vil de gå glipp av en vesentlig del av nøytrinostrømmen.

På begynnelsen av 2000-tallet kom de første resultatene fra et eksperiment i Sudbury, Canada, som var følsomt for alle tre typer nøytrinoer. Resultatet var det best tenkelige: det viste at nøytrinostrømmen var konsistent med solmodellen. Nøytrinoene ser virkelig ut til å gjennomgå identitetsforvandlinger på reisen, hvilket også betyr at de har masse. Ved å studere sola, lærte vi noe nytt og fundamentalt viktig om elementærpartikkelfysikk.

De korte glimt vi får av sola i disse tider kan nytes uten ettertanke. Men kanskje kan vi glede oss enda mer over dem når vi vet at solstrålene er bevis på at kvantemekanikk og relativitetsteori fungerer, at lyset som når oss kanskje er like gammelt som homo sapiens, og at vi samtidig og umerkelig blir sprayet med partikler hvis merkelige natur sola har spilt en viktig rolle i å avsløre.

Øystein Elgarøy er professor i astrofysikk ved Universitetet i Oslo.