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太阳核能生产的最后一个谜是什么?

2020-08-07 15:32:38博名知识网
美国国家航空航天局(NASA)的太阳和太阳圈天文台观测到的太阳。图片来源:SOHO(ESA&NASA)Borexino中微子探测器可监测由太阳的碳,氮和氧反应链释放的中微子,从而确认了先前对太阳能来源的理论预测,可用于推断太阳核的结构。物理学家通过

  

  美国国家航空航天局(NASA)的太阳和太阳圈天文台观测到的太阳。图片来源:SOHO(ESA&NASA)

  Borexino中微子探测器可监测由太阳的碳,氮和氧反应链释放的中微子,从而确认了先前对太阳能来源的理论预测,可用于推断太阳核的结构。物理学家通过从恒星核心捕获中微子来解决太阳能的最后一个谜。这项探测证实了几十年前的理论预测,即太阳产生的一些能量是通过一系列链式反应产生的,包括碳和氮核反应。

  这个过程将四个质子融合在一起,形成一个氦核,释放出两个中微子(构成物质的最轻的已知基本粒子),其他亚原子粒子和大量能量。这个CNO循环不是太阳进行核聚变的唯一方法。 它产生的能量不到太阳产生的能量的1%,但它被认为是较大恒星的主要能量来源。

  俄亥俄州立大学的天体物理学家马克·品索诺(Marc Pinsonneault)说:“能够确认恒星结构理论的基本预测真是太好了。“上个月,他们在一次会议上公布了在意大利中部的Borexino地下实验室中发现的结果。

  以前,Borexino中微子检测器是首次在独立反应的三个不同阶段直接检测中微子,并且该反应发生在大多数太阳聚变反应中。米兰大学的物理学家吉奥阿基诺·拉努奇(Gioacchino Ranucci)说:“有了这一观察,我们就彻底了解了向太阳提供能量的两个反应过程。”

  这一发现可能是Borexino检测器的最终里程碑。 检测器仍在收集数据,但有可能在一年之内关闭。该实验的另一位发言人热那亚大学的Marco Pallavicini说:“我们最终获得了重大发现。”

  自2007年以来,Borexino太阳中微子探测器一直在Gran Sasso国家实验室地下1公里深的大厅中运行。该探头由一个巨大的尼龙气球组成,里面装有278吨液态烃,完全浸没在水中。来自太阳的大多数中微子可以直接穿过地球(包括Borexino),但是在撞击碳氢化合物中的电子后,很少量的中微子会反弹。 通过该过程产生的毛边可以布置在水箱中。光子传感器捕获。

  太阳的碳,氮和氧循环反应产生的中微子相对较少,因为它们只是太阳聚变反应的一小部分。另外,由碳-氮-氧循环反应产生的中微子容易与由铋-210的放射性衰变产生的中微子混淆。铋210是一种同位素,会从气球中的尼龙材料泄漏到碳氢化合物中。

  尽管这些污染物的浓度极低(在Broexino中,每天最多有数十个铋原子核衰变发生),但自2014年以来,研究人员一直在不懈地努力,以将中微子从太阳中分离出铋噪声。由于不能避免铋210的泄漏,它们只能减慢该元素向流体中部的扩散,而忽略来自边缘的所有信号。为此,团队必须控制储罐中的温度平衡,因为温度不平衡会导致液体对流,从而使内容物混合更快。帕拉维奇尼说:“液体必须极其平静,每月最多移动十分之几厘米。”

  为了使碳氢化合物保持恒定且均匀的温度,他们将整个水箱包裹在绝缘毯中,并安装了热交换器以自动平衡总温度。接下来要做的就是等待。直到2019年,铋噪声才变得足够安静,以至于探测器开始辨别中微子信号。到2020年初,研究人员已经收集了足够的颗粒,宣布他们发现了碳,氮和氧循环反应产生的中微子。

  巴塞罗那空间科学研究所的天体物理学家阿尔多·塞雷内利说:“这是第一个直接证据表明氢可以以碳,氮和氧循环反应的形式在恒星中燃烧。” “所以,这真的很棒。“除了证实有关太阳能来源的理论预测之外,对碳氮氧循环反应产生的中微子的检测还可以揭示太阳核的结构,特别是金属元素的浓度(任何比氢重的元素和 氦)。

  Borexino检测器检测到的中微子数量似乎与标准模型匹配。在标准模型中,太阳的内核与其表面具有类似的“金属性”。但是塞雷内利说,更多的新研究已经开始动摇这一假设。这些研究表明,太阳核的金属性较低。 由于太阳原子核中的元素可以调节来自太阳原子核的热扩散速率,因此这意味着太阳原子核将比以前估计的温度稍冷。塞雷内利说,中微子的产生对温度极其敏感,但总的来说,由Borexino监测的中微子似乎与先前模型的金属性一致,而与这些新研究估计的金属性相反。

  他和其他天体物理学家提出了一种新的可能的解释,那就是,太阳的内心比表面更金属。太阳核的组成可以揭示有关太阳早期的更多信息,特别是考虑到行星可能在形成过程中吸收一些附着在年轻恒星上的金属。

  撰写者| 戴维德·卡斯特维奇

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