物理学家通过捕捉太阳核心发出的中微子,填补了关于核聚变如何为太阳提供能量的最后一个缺失的细节。

这次探测证实了几十年前的理论预测,即太阳的一些能量是由碳核和氮核的一系列反应产生的。这个过程将四个质子融合在一起形成一个氦原子核,释放出两个中微子——已知最轻的基本物质粒子——以及其他亚原子粒子和大量的能量。这种碳氮(CN)反应并不是太阳唯一的聚变途径——它产生的能量不到太阳能量的1%——但它被认为是较大恒星的主要能量来源。

位于哥伦布的俄亥俄州立大学的天体物理学家Marc Pinsonneault说:“这在理智上是美妙的,它实际上证实了恒星结构理论的一个基本预测。”

6月23日,意大利中部的Borexino地下实验在虚拟中微子2020会议上报告了这些尚未经过同行评审的发现。

该装置之前已经通过一个独立反应的三个不同步骤首次直接探测到中微子,这个反应占了太阳核聚变的大部分。“有了这个结果,Borexino已经完全解开了为太阳提供动力的两个过程,”Borexino的联合发言人Gioacchino Ranucci说,他是意大利米兰大学的物理学家,展示了这个结果。

这一发现是Borexino的最后一个里程碑,该公司仍在采集数据,但现在可能注定要在一年内关闭。实验的另一位联合发言人、意大利热那亚大学的马可·帕拉维奇尼(Marco Pallavicini)说:“我们以一声巨响结束了实验。”

气球探测器

Borexino太阳中微子实验位于格兰萨索国家实验室超过1公里岩石下的一个大厅里,自2007年以来一直在那里工作。该探测器由一个巨大的尼龙气球组成,其中装满了278吨液态碳氢化合物,并浸入水中。来自太阳的绝大多数中微子以直线的方式穿过地球和borexino,但也有少数中微子在碳氢化合物中的电子反弹后产生闪光,这些闪光被排列在水箱中的光子传感器捕捉到。

来自太阳CN反应链的中微子是相对罕见的,因为它只负责太阳聚变的一小部分。此外,CN中微子很容易与铋-210放射性衰变产生的中微子混淆,铋-210是一种同位素,从气球的尼龙泄漏到碳氢化合物混合物中。

尽管污染存在于极低的浓度——每天最多只有几十个铋核衰变——从2014年开始,将太阳信号从铋噪声中分离出来需要一项艰苦的努力。铋-210无法阻止从气球中泄漏出来,所以我们的目标是减缓元素渗入液体中部的速度,同时忽略来自外部边缘的任何信号。为了做到这一点,研究小组必须控制水箱内的温度不平衡,这将产生对流,并更快地混合其内容物。帕拉维奇尼说:“液体必须非常安静,每月最多移动零点几厘米。”

为了使碳氢化合物保持恒定、均匀的温度,他们将整个储罐包裹在隔热层中,并安装了热交换器来自动平衡整个储罐的温度。然后,他们等待着。直到2019年,铋噪声才变得足够安静,让中微子信号脱颖而出。到2020年初,研究人员已经收集了足够的粒子,声称发现了CN核聚变链中的中微子。

西班牙巴塞罗那空间科学研究所的天体物理学家Aldo Serenelli说:“这是第一个真正直接的证据,证明氢通过CN燃烧在恒星中运行。”“所以这真的很神奇。”

太阳表面的猜测

CN中微子的探测不仅证实了关于太阳动力来源的理论预测,还揭示了太阳核心的结构——特别是天体物理学家称之为金属的元素的浓度(任何比氢和氦重的元素)。

Borexino观测到的中微子数量似乎与标准模型一致,该模型认为太阳核心与其表面具有类似的“金属丰度”。塞雷尼里说,但最新的研究开始质疑这一假设。

这些研究表明金属丰度较低。由于这些元素可以调节热量从太阳核心扩散的速度,这意味着太阳核心比之前估计的要冷一些。塞伦内利说,中微子的产生对温度极其敏感,综合起来,Borexino观测到的各种数量的中微子似乎与以前的金属丰度值一致,而不是与新的金属丰度值一致。

作为一种可能的解释,他和其他天体物理学家提出,内核的金属丰度比外层高。它的组成可以揭示更多关于太阳生命早期阶段的信息,在行星的形成去除一些吸积在年轻恒星上的金属之前。

本文经授权转载第一次出版2020年6月24日。