首次捕获太阳深处释放的“幽灵粒子” 证实太阳某些能量来自碳氮氧循环反应

Emma Chou

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据报道,太阳深处产生的难以捉摸的“幽灵粒子”首次被探测到,这有助于揭示使大质量恒星发光的反应。

在意大利拉奎拉镇附近的一座山下,研究人员通过一个特殊的探测器捕获了这些“幽灵粒子”的证据。

这种罕见的排放物——经过9000万英里到达地球——是在某些核反应中产生的,所产生的能量还不到太阳能量的百分之一。

然而,这些反应被认为在较大的恒星中更占优势——这可能有助于解释它们的形成和演化。

论文作者、米兰大学的天体粒子物理学家詹保罗•贝里尼(Gianpaolo Bellini)说:“现在我们终于有了第一个突破性的实验,证实了恒星是如何比太阳重的。” 这项研究的全部结果发表在《自然》杂志上。

恒星的动力来自氢与氦的聚变,这可以通过两种不同的过程发生——第一种是所谓的质子-质子链,它只涉及氢和氦的同位素。这在像太阳这样的恒星中占主导地位。

然而,在较大的恒星中,所谓的碳-氮-氧(CNO)循环——这三种元素帮助催化核反应——成为一种更重要的能源来源。它还释放出被称为中微子的幽灵般的粒子。

它们几乎没有质量——并且能够穿过普通物质而不放弃任何它们存在的迹象。

然而,物理学家们想要研究这些来自太阳的辐射,因为更好地了解CNO循环在我们的恒星中是如何工作的,这将为更大的恒星——这个过程占主导地位——如何燃烧它们的核燃料提供见解。

为了探测太阳的CNO中微子发射,物理学家们使用了所谓的“Borexino探测器”——一个55英尺高、层状、洋葱状的机器,它的中心有一个叫做“闪烁体”的球形容器,里面装满了278吨的特殊液体。

当中微子穿过这个液体时,它们可以与其电子相互作用,释放出微小的闪光,这些闪光的亮度表明了中微子的能量,而那些由CNO循环产生的闪光则处于更强烈的一端。

这些数据由类似相机的传感器采集,并由强大的硬件进行分析。

为了确保探测器只接收到罕见的中微子信号,而不被宇宙辐射淹没,Borexino实验被埋在地下,并被密封在一个水箱中,进一步保护。

贝里尼教授说:“这是自1990年开始的30年的努力的成果,也是Borexino在太阳、中微子和恒星物理方面10多年的发现的成果。”

根据同样来自米兰的物理学家Gioacchino Ranucci的说法,实验的成功应该归功于溶液达到“前所未有的纯度”。

对CNO中微子的探测揭示了太阳有多少是由碳、氮和氧元素组成的。

Ranucci博士补充说:“尽管之前已经取得了非凡的成功,而且探测器已经超纯,但我们还必须努力进一步提高对极低残留背景的抑制和理解。”

他接着说,这让他们能够“识别CNO周期中的中微子”。

这一发现最终证实了太阳的一些能量确实是由CNO循环反应产生的——这个概念最早在1938年被提出。

Borexino实验发言人、热那亚大学物理学家马可•帕拉维西尼说:“这是多年不懈努力的成果,是我们把这项技术推向前所未有的极限。”

他还说,这使Borexino的核心成为世界上放射性最低的地方。

太阳是如何产生能量的?

太阳像所有的恒星一样,能够产生能量,因为本质上,它是一个大规模的聚变反应。科学家们认为,这是由巨大的气体和粒子云(即星云)在自身重力作用下坍缩的结果——这就是所谓的星云理论。这不仅在我们太阳系的中心创造了一个巨大的光球,它还触发了一个过程,即在中心收集的氢开始聚变产生太阳能。

这个过程以光和热的形式释放出惊人数量的能量,在技术上被称为核聚变。但是从我们的太阳中心获取能量,一直到行星地球,甚至更远,需要几个关键的步骤。最后,一切都归结于太阳的各个层,以及它们在确保太阳能到达能够帮助创造和维持生命的地方所扮演的角色。

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图片来源:Wikipedia Commons/kelvinsong

核心:

太阳的核心是从太阳中心延伸到太阳半径20-25%的区域。在核心中,能量是由氢原子(H)转化为氦原子核(He)产生的。这是由于地核内存在的极端压力和温度,估计分别相当于2500亿大气压(25.33万亿KPa)和1570万开尔文。

最终的结果是四个质子(氢核)融合成一个阿尔法粒子——两个质子和两个中子结合在一起形成一个与氦核相同的粒子。在这个过程中会释放出两个正电子、两个中微子(将两个质子变成中子)和能量。

核心是太阳中唯一能通过核聚变产生可观热量的部分。事实上,太阳产生的99%的能量发生在太阳半径的24%以内。在30%半径范围内,核聚变几乎完全停止。太阳的其余部分被从核心通过连续层传递的能量加热,最终到达太阳的光球层,并以阳光或粒子的动能的形式逃逸到太空中。

太阳释放能量的质能转化率为每秒426万吨,它的威力相当于3.846×1026瓦,换句话说,相当于每秒9.192×1010兆吨TNT,也就是威力最大的热核炸弹——1,820,000,000个“沙皇”炸弹!

辐射区域:

这是紧邻核心的区域,延伸到太阳半径的0.7。在这一层中没有热对流,但这一层中的太阳物质足够热,足够密集,热辐射是将核心中产生的强烈热量向外传递所需要的全部。基本上,这包括氢离子和氦离子释放出的光子,在被其它离子重新吸收之前经过了很短的距离。

这一层的温度下降,从接近核心的大约700万开尔文下降到对流区边界的200万开尔文。这一层的密度也下降了一百倍,从0.25太阳半径到辐射区顶部,从最靠近核心的20克/立方厘米下降到上边界的0.2克/立方厘米。

对流区:

这是太阳的外层,它占了太阳内部半径的70%以上(或从表面到大约下面200000公里)。在这里,温度低于辐射区,较重的原子没有完全电离。结果,辐射热传输效率降低,等离子体的密度低到足以形成对流。

正因如此,上升的热单元将大部分的热量输送到太阳的光球层。一旦上升到光球表面以下,它们的物质就会冷却,导致密度增加。这迫使它们再次下沉到对流区的底部——在那里它们吸收更多的热量,对流循环继续下去。

在太阳表面,温度下降到大约5700开尔文。太阳这一层的湍流对流也导致了在太阳表面产生磁极南北两极的效应。

太阳黑子也出现在这一层,与周围区域相比,它们以暗斑的形式出现。这些斑点与磁场中的浓度相对应,磁场抑制对流,并导致表面区域的温度与周围物质相比下降。

光球层:

最后是光球层,太阳的可见表面。正是在这里,被辐射和对流到表面的阳光和热传播到太空中。这一层的温度在4500到6000开尔文之间(4230到5730摄氏度)。由于光球的上部比下部冷,太阳在中心看起来比在太阳盘的边缘更亮,这种现象被称为边缘变暗。

光球层有几十到几百公里厚,也是太阳可见光不透明的区域。这是因为带负电荷的氢离子(H -)的数量减少了,它很容易吸收可见光。相反,我们所看到的可见光是由于电子与氢原子反应而产生的H -离子。

光球释放出的能量然后通过空间传播,到达地球的大气层和太阳系的其他行星。在地球上,大气层的上层(臭氧层)过滤了太阳的大部分紫外线(UV)辐射,但将一些辐射传递到地球表面。接收到的能量随后被地球的空气和地壳吸收,加热了我们的星球,并为生物体提供了能源来源。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

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