来自太阳的“幽灵粒子” 证实“胖子”恒星的产能方式

  • 科技日报
  • 2020-12-30 08:56:54

来自太阳的“幽灵粒子” 证实“胖子”恒星的产能方式

意大利拉奎拉镇,亚平宁山脉地下1000米深处,一个装有近300吨液态烃的大罐子,正在静静地等待,等待着1.5亿千米之外的太阳释放一种“幽灵粒子”——中微子。

这种中微子来自太阳碳氮氧聚变循环。80年前,有科学家提出了碳氮氧循环的理论,这种碳氮氧循环反应是太阳次要的核聚变方式,它产生的能量还不足太阳整体能量的1%,但它却被认为是较大型恒星的主要能量来源。

80年来,世界各国的科学家都在想尽办法去证实太阳碳氮氧聚变循环的存在,直到最近才有了答案。

11月25日,《自然》杂志发表论文称,科学家通过高灵敏度检测器检测到了太阳碳氮氧聚变循环产生的中微子。对于这些中微子的测量,可以更好地帮助我们解太阳结构和太阳核心内的元素丰度,进一步了解不同恒星的主导能量来源。

恒星产能方式有两种

艳阳天虽好,但出门游玩的人,往往需要提前做好防晒准备。在科学家的眼中,看到的则是为什么太阳在1.5亿千米之外发出的光线都能晒伤我们的皮肤。19世纪末的物理学家非常迫切地想知道,为太阳这样一个巨大“火球”提供能源的,到底是什么。

今天,我们了解到,太阳源源不断地释放能量,主要是通过大规模的聚变反应。简单地说,就是太阳内部的氢原子在高温高压的作用下不停地碰撞并发生反应结合成氦原子。这个过程就会以光和热的形式释放出惊人的能量。

但是,太阳上发生的聚变反应非常复杂。想要了解太阳或其他恒星上究竟发生了怎样的聚变反应,只能通过科学的假设和收集细微的证据来实现。

在上世纪30年代,有科学家提出,太阳的氢核聚变有两种,一种是质子—质子链,它只涉及氢和氦的同位素,在像太阳这样的恒星中占主导地位;另一种是碳氮氧循环,它可能是更大质量恒星的主要能量来源。

“碳氮氧循环是氢元素核聚变反应的一种。氢元素不断与碳氮氧元素发生核反应,最终将氢元素转化为氦元素并释放能量。因为这个核反应过程有碳氮氧元素作为催化剂参与,因此叫作碳氮氧循环。”南京大学天文与空间科学学院副教授张曾华告诉科技日报记者。

为何太阳核聚变分为两种呢?张曾华解释说:“越重的元素聚变反应所要求的温度也越高。聚变反应的发生主要取决于恒星内部的温度,而恒星内部温度则取决于其质量的大小,质量越大的恒星内部温度越高。氢的质子—质子链反应对温度要求相对较低,碳氮氧循环对温度要求相对较高。所以小质量的恒星难以支持碳氮氧循环,而以太阳的质量,则刚好能够维持低速率的碳氮氧循环。”

因为观测难度高,这个理论始终只是一个科学猜想,人类一直没有发现它存在的直接证据。若能证实这一理论,将有助于解释较大质量恒星的形成和演化过程。

捕获“幽灵粒子”有多难

不论是质子—质子链反应,还是碳氮氧循环,都会释放出一种粒子,科学家称其为中微子。

太阳中微子飞越1.5亿千米到达地球,我们却很难将其捕获,因为它们几乎没有质量,能够很轻松地以接近光速的速度穿透地球,这让人们很难察觉它们存在的迹象。

更让科学家为难的是,要想对质子—质子链和碳氮氧循环释放出的中微子进行深入研究,不仅要捕获它们,还得把它们区分开。这是一项极具挑战的工作。

张曾华告诉记者,不同来源的中微子能谱分布有所不同。与质子—质子链产生的中微子相比,碳氮氧循环产生的中微子单个能量偏大,总体流量偏小。

“到达地面探测器的太阳中微子数目虽然可观。但是,因为中微子穿透力极强,它们与探测器里的液体发生碰撞,产生可记录的荧光信号的概率却极小。每100吨探测液体每天只能记录大约几十个太阳中微子,其中可能只有几个来自碳氮氧循环,其余则来自质子—质子链。所以想要增加探测信号的数量,就需要增加探测的时间。”张曾华介绍说。

为此,科学家设计了一个特殊的粒子探测器。为了确保粒子探测器不被宇宙辐射湮没,只接收罕见的中微子信号,科学家将它建在意大利亚平宁山脉地下1000米深处。

在这个大罐子中,装有近300吨的有机闪烁液体,当大量中微子穿过这个液体时,极少数可以与其中的电子相互作用,释放出微小的闪光,这些闪光的亮度表明了中微子的能量,那些由碳氮氧循环产生的中微子会发出相对更强烈的闪光。

张曾华说,碳氮氧循环反应产生的中微子不仅数量稀少,而且容易与由铋-210放射性衰变产生的中微子混淆。因此,科学家必须改进仪器性能,从铋噪声中分离出来自太阳的中微子。

虽然该粒子探测器早就建好,但是为了收集足够多的碳氮氧循环中微子,研究人员花了3年半的时间,才积累到这次发现所需要的数据。

携带太阳内部金属丰度信息

在科学家看来,这些远道而来的中微子,堪称太阳的信使。

“这次发现证实了碳氮氧循环的存在。也证实了当前的理论预言,那就是太阳1%的能量来自碳氮氧循环。”张曾华告诉记者,太阳中质子—质子链产生的能量占99%,而碳氮氧循环贡献的能量只有大约1%,但这1%的能量却是我们了解其他恒星的一个重要窗口。

张曾华解释说,不同质量的恒星中,质子—质子链与碳氮氧循环对能量的贡献比率不同。恒星的质量小于1.3倍太阳质量时,质子—质子链起主导作用。恒星的质量大于1.3倍太阳质量时,碳氮氧循环起主导作用,“这次发现也验证了,碳氮氧循环如何主导质量大于太阳质量的恒星产能方式”。

科学家认为,碳氮氧循环产生的太阳中微子携带着太阳内部的金属丰度信息,将来可以被用来直接测量太阳内部碳氮氧等元素的丰度,解答太阳的“金属丰度难题”。

天文学中的金属,与通常所说的金属概念并不相同。天文学上把一切比氦重的化学元素都叫金属,一颗恒星表层大气里金属元素的总和就是金属丰度,也就是恒星的金属含量。

宇宙诞生之初,大爆炸产生了大量的氢、氦和极其微量的锂,于是在这样的环境下诞生了宇宙中的第一代恒星。

在那些比太阳更大更重的恒星中,碳氮氧这三种元素帮助催化核聚变反应,碳氮氧循环也就成为主要的能源来源。过去,科学家通过恒星光谱来测定其金属丰度,但是在观测与理论出现不一致时,就需要更加直接的证据进行分析,而这些中微子可能有助于解释恒星的形成和演化。

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