來自太陽的“幽靈粒子” 證實(shí)恒星產(chǎn)能方式有兩種

意大利拉奎拉鎮(zhèn)，亞平寧山脈地下1000米深處，一個(gè)裝有近300噸液態(tài)烴的大罐子，正在靜靜地等待，等待著1.5億千米之外的太陽釋放一種“幽靈粒子”——中微子。

這種中微子來自太陽碳氮氧聚變循環(huán)。80年前，有科學(xué)家提出了碳氮氧循環(huán)的理論，這種碳氮氧循環(huán)反應(yīng)是太陽次要的核聚變方式，它產(chǎn)生的能量還不足太陽整體能量的1%，但它卻被認(rèn)為是較大型恒星的主要能量來源。

80年來，世界各國(guó)的科學(xué)家都在想盡辦法去證實(shí)太陽碳氮氧聚變循環(huán)的存在，直到最近才有了答案。

11月25日，《自然》雜志發(fā)表論文稱，科學(xué)家通過高靈敏度檢測(cè)器檢測(cè)到了太陽碳氮氧聚變循環(huán)產(chǎn)生的中微子。對(duì)于這些中微子的測(cè)量，可以更好地幫助我們解太陽結(jié)構(gòu)和太陽核心內(nèi)的元素豐度，進(jìn)一步了解不同恒星的主導(dǎo)能量來源。

恒星產(chǎn)能方式有兩種

艷陽天雖好，但出門游玩的人，往往需要提前做好防曬準(zhǔn)備。在科學(xué)家的眼中，看到的則是為什么太陽在1.5億千米之外發(fā)出的光線都能曬傷我們的皮膚。19世紀(jì)末的物理學(xué)家非常迫切地想知道，為太陽這樣一個(gè)巨大“火球”提供能源的，到底是什么。

今天，我們了解到，太陽源源不斷地釋放能量，主要是通過大規(guī)模的聚變反應(yīng)。簡(jiǎn)單地說，就是太陽內(nèi)部的氫原子在高溫高壓的作用下不停地碰撞并發(fā)生反應(yīng)結(jié)合成氦原子。這個(gè)過程就會(huì)以光和熱的形式釋放出驚人的能量。

但是，太陽上發(fā)生的聚變反應(yīng)非常復(fù)雜。想要了解太陽或其他恒星上究竟發(fā)生了怎樣的聚變反應(yīng)，只能通過科學(xué)的假設(shè)和收集細(xì)微的證據(jù)來實(shí)現(xiàn)。

在上世紀(jì)30年代，有科學(xué)家提出，太陽的氫核聚變有兩種，一種是質(zhì)子—質(zhì)子鏈，它只涉及氫和氦的同位素，在像太陽這樣的恒星中占主導(dǎo)地位;另一種是碳氮氧循環(huán)，它可能是更大質(zhì)量恒星的主要能量來源。

“碳氮氧循環(huán)是氫元素核聚變反應(yīng)的一種。氫元素不斷與碳氮氧元素發(fā)生核反應(yīng)，最終將氫元素轉(zhuǎn)化為氦元素并釋放能量。因?yàn)檫@個(gè)核反應(yīng)過程有碳氮氧元素作為催化劑參與，因此叫作碳氮氧循環(huán)。”南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院副教授張?jiān)A告訴科技日?qǐng)?bào)記者。

為何太陽核聚變分為兩種呢?張?jiān)A解釋說：“越重的元素聚變反應(yīng)所要求的溫度也越高。聚變反應(yīng)的發(fā)生主要取決于恒星內(nèi)部的溫度，而恒星內(nèi)部溫度則取決于其質(zhì)量的大小，質(zhì)量越大的恒星內(nèi)部溫度越高。氫的質(zhì)子—質(zhì)子鏈反應(yīng)對(duì)溫度要求相對(duì)較低，碳氮氧循環(huán)對(duì)溫度要求相對(duì)較高。所以小質(zhì)量的恒星難以支持碳氮氧循環(huán)，而以太陽的質(zhì)量，則剛好能夠維持低速率的碳氮氧循環(huán)。”

因?yàn)橛^測(cè)難度高，這個(gè)理論始終只是一個(gè)科學(xué)猜想，人類一直沒有發(fā)現(xiàn)它存在的直接證據(jù)。若能證實(shí)這一理論，將有助于解釋較大質(zhì)量恒星的形成和演化過程。

捕獲“幽靈粒子”有多難

不論是質(zhì)子—質(zhì)子鏈反應(yīng)，還是碳氮氧循環(huán)，都會(huì)釋放出一種粒子，科學(xué)家稱其為中微子。

太陽中微子飛越1.5億千米到達(dá)地球，我們卻很難將其捕獲，因?yàn)樗鼈儙缀鯖]有質(zhì)量，能夠很輕松地以接近光速的速度穿透地球，這讓人們很難察覺它們存在的跡象。

更讓科學(xué)家為難的是，要想對(duì)質(zhì)子—質(zhì)子鏈和碳氮氧循環(huán)釋放出的中微子進(jìn)行深入研究，不僅要捕獲它們，還得把它們區(qū)分開。這是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的工作。

張?jiān)A告訴記者，不同來源的中微子能譜分布有所不同。與質(zhì)子—質(zhì)子鏈產(chǎn)生的中微子相比，碳氮氧循環(huán)產(chǎn)生的中微子單個(gè)能量偏大，總體流量偏小。

“到達(dá)地面探測(cè)器的太陽中微子數(shù)目雖然可觀。但是，因?yàn)橹形⒆哟┩噶O強(qiáng)，它們與探測(cè)器里的液體發(fā)生碰撞，產(chǎn)生可記錄的熒光信號(hào)的概率卻極小。每100噸探測(cè)液體每天只能記錄大約幾十個(gè)太陽中微子，其中可能只有幾個(gè)來自碳氮氧循環(huán)，其余則來自質(zhì)子—質(zhì)子鏈。所以想要增加探測(cè)信號(hào)的數(shù)量，就需要增加探測(cè)的時(shí)間。”張?jiān)A介紹說。

為此，科學(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的粒子探測(cè)器。為了確保粒子探測(cè)器不被宇宙輻射湮沒，只接收罕見的中微子信號(hào)，科學(xué)家將它建在意大利亞平寧山脈地下1000米深處。

在這個(gè)大罐子中，裝有近300噸的有機(jī)閃爍液體，當(dāng)大量中微子穿過這個(gè)液體時(shí)，極少數(shù)可以與其中的電子相互作用，釋放出微小的閃光，這些閃光的亮度表明了中微子的能量，那些由碳氮氧循環(huán)產(chǎn)生的中微子會(huì)發(fā)出相對(duì)更強(qiáng)烈的閃光。

張?jiān)A說，碳氮氧循環(huán)反應(yīng)產(chǎn)生的中微子不僅數(shù)量稀少，而且容易與由鉍-210放射性衰變產(chǎn)生的中微子混淆。因此，科學(xué)家必須改進(jìn)儀器性能，從鉍噪聲中分離出來自太陽的中微子。

雖然該粒子探測(cè)器早就建好，但是為了收集足夠多的碳氮氧循環(huán)中微子，研究人員花了3年半的時(shí)間，才積累到這次發(fā)現(xiàn)所需要的數(shù)據(jù)。

攜帶太陽內(nèi)部金屬豐度信息

在科學(xué)家看來，這些遠(yuǎn)道而來的中微子，堪稱太陽的信使。

“這次發(fā)現(xiàn)證實(shí)了碳氮氧循環(huán)的存在。也證實(shí)了當(dāng)前的理論預(yù)言，那就是太陽1%的能量來自碳氮氧循環(huán)。”張?jiān)A告訴記者，太陽中質(zhì)子—質(zhì)子鏈產(chǎn)生的能量占99%，而碳氮氧循環(huán)貢獻(xiàn)的能量只有大約1%，但這1%的能量卻是我們了解其他恒星的一個(gè)重要窗口。

張?jiān)A解釋說，不同質(zhì)量的恒星中，質(zhì)子—質(zhì)子鏈與碳氮氧循環(huán)對(duì)能量的貢獻(xiàn)比率不同。恒星的質(zhì)量小于1.3倍太陽質(zhì)量時(shí)，質(zhì)子—質(zhì)子鏈起主導(dǎo)作用。恒星的質(zhì)量大于1.3倍太陽質(zhì)量時(shí)，碳氮氧循環(huán)起主導(dǎo)作用，“這次發(fā)現(xiàn)也驗(yàn)證了，碳氮氧循環(huán)如何主導(dǎo)質(zhì)量大于太陽質(zhì)量的恒星產(chǎn)能方式”。

科學(xué)家認(rèn)為，碳氮氧循環(huán)產(chǎn)生的太陽中微子攜帶著太陽內(nèi)部的金屬豐度信息，將來可以被用來直接測(cè)量太陽內(nèi)部碳氮氧等元素的豐度，解答太陽的“金屬豐度難題”。

天文學(xué)中的金屬，與通常所說的金屬概念并不相同。天文學(xué)上把一切比氦重的化學(xué)元素都叫金屬，一顆恒星表層大氣里金屬元素的總和就是金屬豐度，也就是恒星的金屬含量。

宇宙誕生之初，大爆炸產(chǎn)生了大量的氫、氦和極其微量的鋰，于是在這樣的環(huán)境下誕生了宇宙中的第一代恒星。

在那些比太陽更大更重的恒星中，碳氮氧這三種元素幫助催化核聚變反應(yīng)，碳氮氧循環(huán)也就成為主要的能源來源。過去，科學(xué)家通過恒星光譜來測(cè)定其金屬豐度，但是在觀測(cè)與理論出現(xiàn)不一致時(shí)，就需要更加直接的證據(jù)進(jìn)行分析，而這些中微子可能有助于解釋恒星的形成和演化。