由美國國家航空航天局（NASA）的太陽和日球天文臺所觀測到的太陽。圖片來源：SOHO（ESA&NASA）

物理學(xué)家通過捕獲恒星核心產(chǎn)生的中微子，解開了太陽能量來源的最后一個謎團(tuán)。

這項探測證實了數(shù)十年前的理論預(yù)測，即太陽的一些能量是由一系列包含了碳核和氮核反應(yīng)產(chǎn)生的。該過程將四個質(zhì)子融合在一起形成一個氦核并釋放出兩個中微子（已知最輕的物質(zhì)基本粒子）以及其他亞原子粒子和大量能量。這種碳氮（CN）反應(yīng)不是太陽唯一的聚變方式，它所產(chǎn)生的能量事實上不足太陽能量的1%，但它卻被認(rèn)為是較大型恒星的主要能量來源。

位于哥倫布的俄亥俄州立大學(xué)的天體物理學(xué)家Marc Pinsonneault說：“能夠證實恒星結(jié)構(gòu)理論的基本預(yù)測之一是十分美妙的?！币獯罄胁緽orexino地下實驗的研究結(jié)果在虛擬中微子2020會議（the virtual Neutrino 2020 conference）上發(fā)布，該報告尚未經(jīng)過同行評審。

這一設(shè)施曾從一個獨立反應(yīng)的三個不同階段中首次直接檢測到中微子，該反應(yīng)占據(jù)了太陽大部分的聚變。Borexino聯(lián)合發(fā)言人，米蘭大學(xué)（意大利）的物理學(xué)家Gioacchino Ranucci表示：“加上這個結(jié)果，Borexino已經(jīng)徹底弄清為太陽提供能量的兩個反應(yīng)過程?！?/p>

這一發(fā)現(xiàn)是Borexino中微子探測器的最后一個里程碑，該實驗仍在收集數(shù)據(jù)，但目前看來很可能注定要在一年內(nèi)關(guān)閉?！拔覀円砸淮未蟀l(fā)現(xiàn)告終。”該實驗的另一位發(fā)言人，熱那亞大學(xué)（意大利）的Marco Pallavicini說。

氣球探測器

從2007年開始，Borexino太陽中微子實驗一直在Gran Sasso國家實驗室地下超過一公里深的一個大廳中進(jìn)行。探測器由一個裝有278噸液態(tài)烴的巨型尼龍氣球構(gòu)成，并完全浸沒在水中。絕大部分來自太陽的中微子都以直線穿過了地球（以及Borexino），但一小部分會在撞到碳?xì)浠衔镏械碾娮雍蠓磸棧a(chǎn)生能夠被排列在水箱中的光子傳感器捕獲的閃光。

來自太陽CN反應(yīng)鏈的中微子相對較少，因為它僅僅是太陽聚變中的一小部分。此外，CN中微子容易與鉍210放射性衰變所產(chǎn)生的中微子混淆。鉍210是一種從氣球的尼龍物質(zhì)泄漏到碳?xì)浠衔镏械耐凰亍?/p>

雖然這些污染的濃度極低（在設(shè)施Broexino中每天最多出現(xiàn)幾十個鉍核衰變），但從2014年起，從鉍噪聲中分離出來自太陽的訊號就需要不懈的努力。由于鉍210的泄露是不能被避免的，所以就只能減慢這一元素擴(kuò)散到流體中部的速度，并忽略一切來自于邊緣的訊號。為此，團(tuán)隊必須控制水箱中的溫度平衡，因為溫度不平衡會導(dǎo)致液體對流并更快地混合其內(nèi)含物?！耙后w必須非常靜止，每月最多移動十分之幾厘米。” Pallavicini說。

圖片來源：Pixabay

為了使碳?xì)浠衔锉３衷谝粋€恒定、均勻的溫度，他們將整個水箱包裹在絕緣毯中，并安裝了熱交換器以自動平衡整體溫度。接下來要做的便是等待。直到2019年，鉍噪音變得足夠安靜了，中微子的信號才得以辨別。到2020年初，研究人員已經(jīng)收集到了足夠的粒子來宣布他們已發(fā)現(xiàn)了來自CN核聚變鏈的中微子。

“這是首個表明氫可以在恒星中以CN反應(yīng)形式燃燒的直接證據(jù)，”西班牙巴塞羅那空間科學(xué)研究所的天體物理學(xué)家Aldo Serenelli說，“所以這真的很驚艷?！?/p>

太陽表面推測

除了證實有關(guān)于太陽能量來源的理論預(yù)測之外，對CN中微子的探測還可以揭示日核的結(jié)構(gòu)，特別是被天體物理學(xué)家稱為金屬(比氫和氦重的任何元素)的元素濃度。

Borexino監(jiān)測到的中微子數(shù)量似乎和標(biāo)準(zhǔn)模型中的相符。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，日核與日表有相似的“金屬性”。但Serenelli說，更多的新研究已經(jīng)開始動搖這一假設(shè)了。

圖片來源：Pixabay

這些研究表明日核的金屬性會較低一點，而且由于這些元素調(diào)節(jié)著熱量從日核擴(kuò)散的速度，這意味著日核會比以前預(yù)估的略微冷一些。Serenelli說，中微子的產(chǎn)生對溫度極其敏感，但總的來說，Borexino所監(jiān)測到的中微子似乎與從前的金屬性相符合，與新估計的金屬性相悖。

他和其他天體物理學(xué)家提出了一種可能的解釋，那就是日核比日表具有更高的金屬性。它的成分可以揭示更多有關(guān)太陽生命早期的信息，因為在行星形成的過程中，可能會移去附著在年輕恒星上的一些金屬。

作者：Davide Castelvecchi是《自然》雜志的資深記者，內(nèi)容涉及物理學(xué)、天文學(xué)、數(shù)學(xué)和計算機(jī)科學(xué)。

翻譯：魏沁悅

審校：費哲妮

引進(jìn)來源：科學(xué)美國人

引進(jìn)鏈接：https://www.scientificamerican.com/article/neutrinos-reveal-final-secret-of-suns-nuclear-fusion/


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