這些數字是至關重要的，因為它們影響着恆星的生存和死亡、行星的形成，甚至影響着其他星球上生命的形成。
20年前，天文學家對他們一直在研究的數據充滿了信心。現在，又信心不足了。問題不在於宇宙遙遠的角落，而在於離地球更近的地方。科學家們並不知道太陽的確切組成。因此，他們也不知道其他恆星的確切組成元素。
“太陽是一個基本的尺度，”德國天體物理學家馬丁·阿斯普朗德説。“當我們確定宇宙中任何一顆恆星、一個星系或氣體雲中某種元素的丰度時，我們會用太陽作為參考點。”
太陽的質量佔太陽系總質量的99.86%。太陽在銀河系中的位置也使它很好地代表了整個星系。更重要的是，宇宙中的大多數恆星居住在像銀河系這樣的巨大星系中，這使得太陽成為整個宇宙的試金石。此外，太陽非常明亮，天文學家可以非常精確地研究它發出的光的細節。這將使他們能夠確定太陽化學元素的確切丰度。
近一個世紀以來，天文學家通過觀察恆星的化學成分是否與太陽匹配來判斷恆星是否正常。我們附近的大多數恆星都是這樣。
這就是為什麼阿斯普倫德和他的同事在2009年《天文學和天體物理學年度評論》上發表的關於太陽化學成分的文章獲得了4000多次學術引用，天文學家經常將恆星和星系與太陽進行比較。
但阿斯普朗德的研究是有爭議的。他和他的同事使用新的模型來分析陽光，發現太陽中最常見的重元素（包括碳和氧）的含量比以前的計算要低得多。天文學家稱大多數比氦重的元素為“重元素”。因此，其他恆星，乃至整個宇宙中，重元素的數量比之前認為的要少得多。
氧是宇宙中最豐富的重元素，俄亥俄州立大學的天文學家皮森諾特説。他一直對普朗德的數據持批評態度，因為這些數據會與對太陽內部的觀測結果產生衝突。如果普朗的結論是正確的，那就意味着在宇宙週期中氧氣減少了40%，因為我們所有的測量結果都是基於我們對太陽的假設。
這場爭論已經持續了20年；雙方都沒有向對方讓步。普朗德計算出的氧和其他重元素含量不僅造成了不確定性，還帶來了麻煩。幸運的是，當前和未來的各種實驗可能最終解決這個問題。
氧是一種關鍵元素
儘管存在爭議，但每個人都同意基本觀點：太陽主要由氫和氦組成。它通過將氫轉化為氦的核反應在其中心產生能量。但由於普朗德的工作，下一個最豐富的元素的數量仍存在爭議。
氧非常重要，它佔宇宙中所有重原子數量的一半。這些原子中的大多數起源於比太陽質量大得多的恆星。在它們明亮而短暫的生命後期，這些恆星將4個氦核融合在一起生成氧。恆星最終會爆炸，釋放出生命的元素。僅僅一顆超新星就能釋放出超過太陽質量的氧。如果太陽和整個宇宙的含氧量像普朗德認為的那樣低，那麼這些巨大的產氧恆星的含氧量要比人們想象的少得多。
氧在很多方面都是至關重要的。顯而易見的是我們需要氧氣來呼吸。不太明顯的是在我們腳下的岩石中，超過一半的原子是氧氣。這種元素在太陽系所有行星的形成過程中發揮了重要作用。
氧的重要作用不止於此。畢竟，每個水分子中都有一個氧原子。水是生命的必需品。所以沒有氧，就沒有水，沒有生命。
任性的太陽
儘管影響深遠，但圍繞太陽富含氧氣和其他重元素的爭論是偶然開始的。在20世紀90年代末，阿斯普朗想要研究那些只有少量重元素的古老恆星。不過，他認為首先最好查明太陽的構成。
為此，他和他的同事開發了新的模型來解釋太陽光譜，即我們的恆星發出的光。不同元素的原子吸收不同波長的光，產生所謂的光譜線。太陽表面上某種特定元素的原子越多，原子吸收的光就越多，光譜線也就越強。因此，光譜線可以揭示一種元素相對於氫的丰度，氫是太陽的主要成分。
因為是太陽定下了標準，科學家們就可以在一束陽光中看到整個宇宙，通過分析太陽光譜，他們可以確定整個宇宙中氫、碳、氮和氧的比例。新模型比以前的模型複雜得多，避免了簡化和近似。在他的模型中，宇宙中最豐富的四種重元素都遭受了重大的質疑。與20年前發表的數字相比，新模型得出的數值要低得多。新的模型大大降低了太陽和宇宙中氧含量的估計。生命的另一個先決條件——碳的含量下降了26%，而氖和氮的含量分別下降了31%和40%。
根據所有的計算，這四種元素佔了宇宙中所有重原子的絕大多數。如果阿斯普朗德是對的，那麼宇宙中存在的黑洞要比任何人想象的要少得多。這給太陽內部的模型帶來了巨大的麻煩。
太陽內部
像氧這樣的重元素改變了太陽的內部，因為它們吸收了從太陽核心到太陽表面的輻射。藉助古老的太陽丰度，天文學家們認為，藉助一種被稱為日震學的技術，他們已經弄清楚了太陽的內部。正如我們的世界會發生地震一樣，太陽內部也會隨着聲波發生振動。正如地震學家利用地震來推斷地球內部的結構一樣，通過太陽產生的震動也揭示了它的內部結構。
例如，在太陽內部的大部分地方，輻射從一個原子反射到另一個原子，慢慢地將熱量從核心向外傳遞。然而，在太陽的最外層，物質温度較低，也更不透明，這主要是因為像氧這樣的重元素會吸收光子。這種不透明意味着光子無法將熱量輸送到那裏。取而代之的是一種被稱為對流的過程——熱氣體上升到太陽表面，輻射熱量，然後冷卻並下沉。當你燒開一壺水時，你會看到類似的情況。
日震學確定了太陽輻射內部和對流表層之間邊界的位置。因此，我們知道這個邊界正好在太陽半徑的71.3%處。但是，如果太陽實際上含的氧、碳、氖和氮更少，那麼太陽的內部就不那麼不透明瞭，這就使得輻射能把熱量從太陽中心帶到更遠的地方，這與日震學的觀測結果相矛盾。要麼我們不瞭解太陽，要麼新的太陽丰度是錯誤的。
不過，新模型要優於早期的模型，他們對太陽丰度的重新判定應該是有效的。首先，普朗德的模型考慮了對流，這是早期的研究忽略的。他的團隊還認識到，一條被認為是由氧氣產生的紅色光譜線，實際上是氧和鎳的混合物，除去鎳的作用，氧的丰度就降低了。
大部分問題來自於氧原子本身。雖然氧很常見，但它在陽光中產生的光譜線很少，而所有這些光譜線都很難分析，所以這種元素幾乎沒有留下多少線索來説明它的含量。相比之下，每個人都同意太陽的鐵丰度。這是因為鐵會產生大量的譜線，這些譜線可以被分析。
陽光下的新事物
幸運的是，新的數據很快就會出爐。在實驗室裏，物理學家可以通過將不同元素置於太陽內部的高温下，來測量它們的丰度。近年來，科學家們已經將這些實驗的温度提高到更高的水平。
2015年，桑迪亞國家實驗室的實驗物理學家吉姆·貝利和他的同事報告稱，鐵在太陽下的不透明度確實比預期的要高。“我們的結果讓天文學界非常高興，”他説，“因為這意味着他們至少有希望將他們認為的最佳丰度估計與標準太陽模型和日震學相一致。”
現在貝利已經將他的注意力轉向氧，並期望在三年內得到第一個結果。如果證明氧比目前計算的更加不透明，那麼太陽就不需要那麼多的元素來維持輻射對流邊界的觀測位置。這將消除新的太陽丰度與日震學之間的差異。
與此同時，阿斯普朗德和品森諾特都指出了另一個有希望的解決方案。當太陽的核心產生能量時，它會釋放出中微子，這是一種幽靈般的粒子，它們會在大約八分鐘後飛散併到達地球。對這些中微子正在進行的研究將提供一種估算元素丰度的新方法。這是因為某些中微子是在碳、氮和氧作為催化劑將氫轉化為氦的過程中產生的。
最後的判決
曾幾何時，天文學家們就宇宙鐵的丰度爭論不休，太陽光譜給出的水平與隕石給出的不同。在很長一段時間裏，這一直是個謎。當天文學家使用最新測量的鐵原子參數並修正了他們對太陽鐵丰度的計算，證明了流星結果的正確性時，爭論結束了。我們希望正在進行的不透明和中微子實驗能夠解決這一爭議。