太阳产生核能的最后一个谜题

太阳产生核能的最后一个谜题
2020年07月31日 09:46 环球科学
美国国家航空航天局(NASA)的太阳和日球天文台所观测到的太阳。图片来源:SOHO(ESA&NASA)美国国家航空航天局(NASA)的太阳和日球天文台所观测到的太阳。图片来源:SOHO(ESA&NASA)

  Borexino中微子探测器通过监测太阳的碳氮氧反应链释放的中微子,证实此前对太阳能量来源的理论预测,并能用于推测日核的结构。物理学家通过捕获来自恒星核心的中微子,解开了太阳能量来源的最后一个谜团。这项探测证实了数十年前的理论预测,即太阳产生的一些能量是由一系列链式反应产生的,其中包括碳核和氮核反应。

  该过程将四个质子融合在一起形成一个氦核,释放出两个中微子(已知最轻的、构成物质的基本粒子)以及其他亚原子粒子和大量能量。这种碳氮氧(CNO cycle)循环反应不是太阳唯一的核聚变方式,它产生的能量不足太阳产生能量的1%,但它却被认为是较大型恒星的主要能量来源。

  俄亥俄州立大学的天体物理学家Marc Pinsonneault说:“能够证实恒星结构理论中的一个基本预测,是十分美妙的。”上月,他们在一个会议上发表了这项在意大利中部的Borexino地下实验室发现的结果。

  此前,Borexino中微子探测器首次在一个独立反应的三个不同阶段中直接检测到中微子,而该反应出现在大部分的太阳核聚变反应中。米兰大学的物理学家Gioacchino Ranucci表示:“加上这个观察结果,我们已经彻底弄清为太阳提供能量的两个反应过程。”

  这一发现对Borexino探测器来说可能是最后的一个里程碑事件,目前这个探测器仍在收集数据,但很可能会在一年内关闭。该实验的另一位发言人、热那亚大学的Marco Pallavicini说:“我们以一次大发现告终。”

  从2007年开始,Borexino太阳中微子探测器一直在Gran Sasso国家实验室地下超过1km深的一个大厅中运行。这一探测器由一个装有278吨液态烃的巨型尼龙气球组成,完全浸没在水中。绝大部分来自太阳的中微子都能直线穿过了地球(包括Borexino),但极少量会在撞到碳氢化合物中的电子后反弹,这一过程产生的闪光能被排列在水箱中的光子传感器捕获。

  由太阳的碳氮氧循环反应产生的中微子相对较少,因为它仅仅是太阳核聚变反应中的一小部分。此外,碳氮氧循环反应产生的中微子容易与由铋-210放射性衰变产生的中微子混淆。铋-210是一种同位素,能从气球的尼龙物质泄漏到碳氢化合物中。

  虽然,这些污染物的浓度极低(在Broexino中,每天最多会出现数十个铋核衰变),但从2014年起,研究人员从铋噪声中分离出来自太阳的中微子需要不懈的努力。由于铋-210的泄露是不能被避免的,所以他们就只能减慢这一元素扩散到流体中部的速度,并忽略一切来自于边缘的讯号。为此,团队必须控制水箱中的温度平衡,因为温度不平衡会导致液体对流,使其中的内含物更快地混合。Pallavicini说:“液体必须极端平静,每月最多移动十分之几厘米。” 

  为了使碳氢化合物保持在一个恒定、均匀的温度,他们将整个水箱包裹在绝缘毯中,并安装了热交换器以自动平衡整体温度。接下来要做的便是等待。直到2019年,铋噪音变得足够安静了,探测器才能开始辨别中微子的信号。到2020年初,研究人员已经收集到了足够的粒子来宣布他们已发现了由碳氮氧循环反应产生的中微子。

  “这是首个表明氢可以在恒星中以碳氮氧循环反应形式燃烧的直接证据,”巴塞罗那空间科学研究所的天体物理学家Aldo Serenelli说,“所以,这真的很惊艳。”除了证实有关太阳能量来源的理论预测之外,对碳氮氧循环反应产生的中微子的探测还可以揭示日核结构,特别是检测金属元素(比氢和氦重的任何元素)的浓度。

  Borexino探测器检测到的中微子数量似乎和标准模型中的相符。在标准模型中,太阳的内核与其表面具有相似的“金属性”。但Serenelli说,更多的新研究已经开始动摇这一假设。这些研究显示日核的金属性较低,由于日核中的元素能调节着热量从日核扩散的速度,这意味着日核会比以前预估的略微冷一些。Serenelli说,中微子的产生对温度极其敏感,但总的来说,Borexino所监测到的中微子似乎与之前模型的金属性相符合,与这些新研究估计的金属性相悖。

  他和其他天体物理学家提出了一种新的可能性解释,那就是太阳的内核比表面具有更高的金属性。日核的组成可以揭示更多有关太阳在早期阶段的信息,特别是考虑到行星在形成过程中,可能会吸附一些附着在年轻恒星上的金属。

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