由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的太陽(yáng)和日球天文臺(tái)所觀測(cè)到的太陽(yáng)。圖片來(lái)源：SOHO（ESA&NASA）

物理學(xué)家通過(guò)捕獲恒星核心產(chǎn)生的中微子，解開(kāi)了太陽(yáng)能量來(lái)源的最后一個(gè)謎團(tuán)。

這項(xiàng)探測(cè)證實(shí)了數(shù)十年前的理論預(yù)測(cè)，即太陽(yáng)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(guò)程將四個(gè)質(zhì)子融合在一起形成一個(gè)氦核并釋放出兩個(gè)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(yáng)唯一的聚變方式，它所產(chǎn)生的能量事實(shí)上不足太陽(yáng)能量的1%，但它卻被認(rèn)為是較大型恒星的主要能量來(lái)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(shuō)：“能夠證實(shí)恒星結(jié)構(gòu)理論的基本預(yù)測(cè)之一是十分美妙的?！币獯罄胁緽orexino地下實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果在虛擬中微子2020會(huì)議（the virtual Neutrino 2020 conference）上發(fā)布，該報(bào)告尚未經(jīng)過(guò)同行評(píng)審。

這一設(shè)施曾從一個(gè)獨(dú)立反應(yīng)的三個(gè)不同階段中首次直接檢測(cè)到中微子，該反應(yīng)占據(jù)了太陽(yáng)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(gè)結(jié)果，Borexino已經(jīng)徹底弄清為太陽(yáng)提供能量的兩個(gè)反應(yīng)過(guò)程?！?/p>

這一發(fā)現(xiàn)是Borexino中微子探測(cè)器的最后一個(gè)里程碑，該實(shí)驗(yàn)仍在收集數(shù)據(jù)，但目前看來(lái)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?！痹搶?shí)驗(yàn)的另一位發(fā)言人，熱那亞大學(xué)（意大利）的Marco Pallavicini說(shuō)。

氣球探測(cè)器

從2007年開(kāi)始，Borexino太陽(yáng)中微子實(shí)驗(yàn)一直在Gran Sasso國(guó)家實(shí)驗(yàn)室地下超過(guò)一公里深的一個(gè)大廳中進(jìn)行。探測(cè)器由一個(gè)裝有278噸液態(tài)烴的巨型尼龍氣球構(gòu)成，并完全浸沒(méi)在水中。絕大部分來(lái)自太陽(yáng)的中微子都以直線穿過(guò)了地球（以及Borexino），但一小部分會(huì)在撞到碳?xì)浠衔镏械碾娮雍蠓磸?，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(lái)自太陽(yáng)CN反應(yīng)鏈的中微子相對(duì)較少，因?yàn)樗鼉H僅是太陽(yáng)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(gè)鉍核衰變），但從2014年起，從鉍噪聲中分離出來(lái)自太陽(yáng)的訊號(hào)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?cái)U(kuò)散到流體中部的速度，并忽略一切來(lái)自于邊緣的訊號(hào)。為此，團(tuán)隊(duì)必須控制水箱中的溫度平衡，因?yàn)闇囟炔黄胶鈺?huì)導(dǎo)致液體對(duì)流并更快地混合其內(nèi)含物。“液體必須非常靜止，每月最多移動(dòng)十分之幾厘米?！?Pallavicini說(shuō)。

圖片來(lái)源：Pixabay

為了使碳?xì)浠衔锉３衷谝粋€(gè)恒定、均勻的溫度，他們將整個(gè)水箱包裹在絕緣毯中，并安裝了熱交換器以自動(dòng)平衡整體溫度。接下來(lái)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(hào)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(lái)宣布他們已發(fā)現(xiàn)了來(lái)自CN核聚變鏈的中微子。

“這是首個(gè)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(shuō)，“所以這真的很驚艷?！?/p>

太陽(yáng)表面推測(cè)

除了證實(shí)有關(guān)于太陽(yáng)能量來(lái)源的理論預(yù)測(cè)之外，對(duì)CN中微子的探測(cè)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(cè)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(shuō)，更多的新研究已經(jīng)開(kāi)始動(dòng)搖這一假設(shè)了。

圖片來(lái)源：Pixabay

這些研究表明日核的金屬性會(huì)較低一點(diǎn)，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(huì)比以前預(yù)估的略微冷一些。Serenelli說(shuō)，中微子的產(chǎn)生對(duì)溫度極其敏感，但總的來(lái)說(shuō)，Borexino所監(jiān)測(cè)到的中微子似乎與從前的金屬性相符合，與新估計(jì)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(yáng)生命早期的信息，因?yàn)樵谛行切纬傻倪^(guò)程中，可能會(huì)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(jì)算機(jī)科學(xué)。

翻譯：魏沁悅

審校：費(fèi)哲妮

引進(jìn)來(lái)源：科學(xué)美國(guó)人

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


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