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。

這項探測證實了數(shù)十年前的理論預測，即太陽的一些能量是由一系列包含了碳核和氮核反應產(chǎn)生的。該過程將四個質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的天體物理學家Marc Pinsonneault說：“能夠證實恒星結構理論的基本預測之一是十分美妙的。”意大利中部Borexino地下實驗的研究結果在虛擬中微子2020會議（the virtual Neutrino 2020 conference）上發(fā)布，該報告尚未經(jīng)過同行評審。

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

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關閉?！拔覀円砸淮未蟀l(fā)現(xiàn)告終?！痹搶嶒灥牧硪晃话l(fā)言人，熱那亞大學（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行。探測器由一個裝有278噸液態(tài)烴的巨型尼龍氣球構成，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氫化合物中的電子后反彈，并產(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泄漏到碳氫化合物中的同位素。

雖然這些污染的濃度極低（在設施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，團隊必須控制水箱中的溫度平衡，因為溫度不平衡會導致液體對流并更快地混合其內含物。“液體必須非常靜止，每月最多移動十分之幾厘米。” Pallavicini說。

圖片來源：Pixabay

為了使碳氫化合物保持在一個恒定、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反應形式燃燒的直接證據(jù)，”西班牙巴塞羅那空間科學研究所的天體物理學家Aldo Serenelli說，“所以這真的很驚艷?！?/p>

太陽表面推測

除了證實有關于太陽能量來源的理論預測之外，對CN中微子的探測還可以揭示日核的結構，特別是被天體物理學家稱為金屬(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)量似乎和標準模型中的相符。在標準模型中，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節(jié)著熱量從日核擴散的速度，這意味著日核會比以前預估的略微冷一些。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，內容涉及物理學、天文學、數(shù)學和計算機科學。

翻譯：魏沁悅

審校：費哲妮

引進來源：科學美國人

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


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