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太阳能量来源的最后一块拼图,终于被补齐了-中国科普网

时间:2020-12-02 14:55:39 点击:

  核心提示: 太阳动力学观测台拍摄的太阳照片(图片来源:NASA/SDO)  不论是远古神话还是现代科学,解释太阳能量来源都是它们重要的使命之一。中国神话的三足鸟,希腊神话的阿波罗,日本神话的天照大...

太阳动力学观测台拍摄的太阳照片(图片来源:NASA/SDO)

太阳动力学观测台拍摄的太阳照片(图片来源:NASA/SDO)

不论是远古神话还是现代科学,解释太阳能量来源都是它们重要的使命之一。中国神话的三足鸟,希腊神话的阿波罗,日本神话的天照大神,都是远古人类对太阳能量来源的想象。而近代科学中,从液体球冷却放热到物质引力塌缩,再到衰变元素放热,人类为解答太阳能源来源做了一系列尝试。

随着质能方程式的提出,核聚变就成了最可能的太阳能量来源。而直到1938年,汉斯·贝特(Hans Bethe)提出了质子-质子链(pp链,Proton–proton chain)和碳氮氧循环(CNO循环)之后,人类才真正触及了太阳核心的秘密。而今天,位于地下深处的中微子实验室将目标指向九天之上的太阳。继2014年发现来自质子-质子链的中微子之后,在最新的《自然》论文中,Borexino又发现了来自太阳内部碳氮氧循环的中微子,补上了太阳能量来源的最后一块拼图。

现在我们知道,每秒钟有超过10亿亿个光子,在名为太阳的天然巨型热核反应堆中碰撞反射后,飞过8分钟的路程,洒向地球白天一侧每一平方厘米的土地。核聚变为这个过程提供了能量,而氢原子通过核聚变转变为氦原子核的过程分为两种,分别为质子-质子链和碳氮氧循环。根据标准太阳模型(standard solar model,SSM),质子-质子链反应占了绝大多数,只有1.7%的4He是由碳氮氧循环产生的。在质量更大、核心金属丰度更高的恒星中,碳氮氧循环会占据更主要的地位。

碳氮氧循环(图片来源:wikipedia)

碳氮氧循环(图片来源:wikipedia)

飘忽不定的中微子

在太阳内部产生的光子可能需要在内部反射上万年的时间才能到达太阳表面,而在太阳核心核聚变过程中产生的中微子,由于只参与引力相互作用和弱相互作用,能几乎不受阻挡地从太阳核心以近光速到达地球表面。这也给了我们直接探测来自太阳核心的物质的机会。

不过也正是出于这个原因,探测中微子本身就是一件难事。地球上每平方厘米每秒会接收到600亿个来自太阳核心的中微子,但它们几乎都不受影响地穿过地球。探测介质需要足够大、足够灵敏,才可能探测到中微子。同时,太过灵敏的探测器还必须屏蔽宇宙线的影响。因此,中微子探测器大多在地下,用厚重的岩层来屏蔽宇宙中各种高能粒子的影响,同时拥有数量庞大的透明探测介质,用以捕捉中微子在其中产生的零星闪光。

20世纪60年代晚期,在美国南达科他州矿井中的霍姆斯特克实验就探测到了来自太阳的中微子。不过,当时探测到的中微子只有理论预测的1/3,这也是所谓的太阳中微子问题。直到2001年,加拿大萨德伯里中微子观测站(Sudbury Neutrino Observatory,SNO)给出中微子振荡的明确证据,问题才得以解决。但是,这些实验都没能区分探测到的中微子是来自质子-质子链还是碳氮氧循环。

SNO内部广角照片(图片来源:SNO)

SNO内部广角照片(图片来源:SNO)

寻找太阳中微子来源

最终解决这一问题的,是意大利的Borexino探测器。Borexino位于意大利中部亚平宁山脉深处,实验设施上方有1400米的岩层覆盖,屏蔽了来自宇宙的大多数粒子。就算μ子仍能穿过其上方1400米的岩层,实验也会将其标记,并消除它的影响。Borexino探测器中包含了280吨超纯有机液体闪烁体,并在其中布置了2212个光电倍增管。中微子可能和闪烁体中的电子发生弹性散射,而被弹性散射的电子会产生光子。光电倍增管检测到这些光子后,反推电子在弹性散射时的能量和位置,就能推测出和其作用的中微子的性质,从而推测中微子来自哪种反应。而Borexino探测器也就此成为全球唯一一个能独立、实时地探测中微子不同成分的探测器。

Borexino中微子探测器内部(图片来源:Volker Steger/SPL)

Borexino中微子探测器内部(图片来源:Volker Steger/SPL)

2014年,Borexino探测到了来自质子-质子链反应的中微子。这是中微子探测领域里程碑式的成就,标志着人类从此可以分辨太阳中微子产生于太阳核心中哪种反应。

相比于质子-质子链反应,要探测到占比只有1.7%的碳氮氧循环就更困难了。探测的主要难度集中在碳氮氧中微子的低能量和低通量,同时要将其从背景中微子信号中分离出来。通过精确测量中微子的能量和时间分布,可以将太阳中微子和探测器中的放射性污染分离。

在这之前,Borexino用多年时间确保其闪烁体中的放射性污染降到最低水平。即使如此,由温度变化引起的微弱电流仍会让放射性污染从探测器外部向内部扩散。研究人员通过精细的温度控制减轻这一影响,从而实现对碳氮氧循环中微子的检验。

Borexino中微子探测器,在外侧包裹隔热材料来精细控制探测器温度。(图片来源:The Borexino Collaboration)

Borexino中微子探测器,在外侧包裹隔热材料来精细控制探测器温度。(图片来源:The Borexino Collaboration)

终于,在经过十多年的测量之后,Borexino终于发现了来自碳氮氧循环中的中微子。地球表面每一平方厘米,每秒钟大约有7亿个来自太阳碳氮氧循环的中微子飞过。大约占太阳中微子总数的1%,和标准太阳模型预测的一致。Borexino科学家安德里亚·波卡尔(Andrea Pocar)表示:“探测到太阳中占比1%的碳氮氧燃烧,增强了我们对当前太阳模型的信心。”这一成果发表于最新一期的《自然》杂志。

直达太阳核心

这一结果为解决太阳核心元素构成之迷提供了机会。天文学中,比氦重的元素都被称为金属。恒星核心的金属丰度会影响碳氮氧循环的速率,这反过来又会影响恒星的温度和密度特征,从而影响恒星的演化,以及外层的不透明度。

太阳的金属性和不透明度会影响太阳中的声速。数十年来,日震学测量和太阳标准模型对太阳声速的预测一致,让人们对模型充满信心。然而,最近对太阳的光谱测量显示外层不透明度明显低于预期,和日震学的数据产生了差异。对于CNO循环中微子的精确测量,为这一研究提供了独立的第三种测量方式,可以进一步揭示恒星的演化过程。

目前数据还不足以支撑对太阳核心元素组成的探测,但是至少为实现这一目标提供了一条道路。未来的实验会通过寻找新方法来去除放射性污染造成的背景噪声影响,从而进一步提高Borexino的精度。同时,Borexino合作组织的巨大成就,让我们更加了解太阳,以及大质量恒星的形成过程,并很可能促使我们在这个领域定下下一个要实现的目标。

作者:佚名 来源:环球科学
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