首次直接檢測太陽核心產生的微中子,將幫助洞悉太陽核心結構

作者 | 發布日期 2020 年 11 月 26 日 15:40 | 分類 天文 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


最近,科學家首次直接測量到太陽碳氮氧循環(核融合反應之一)產生的微中子,達成微中子物理學一個里程碑,這些測量可能有助於解決太陽核心組成的不確定性,並為質量更重的恆星形成提供另一番見解。

在恆星漫漫生命中,主要是透過將氫轉換成氦來獲取能量,而質子-質子鏈反應、碳氮氧循環(carbon-nitrogen-oxygen cycle,CNO cycle)就是恆星將氫轉換成氦的 2 種過程,如果是太陽或比太陽更小的恆星,僅涉及氫、氦的質子-質子鏈反應是產生能量的主要過程(99%)。

碳氮氧循環又稱貝斯-魏茨澤克-循環(Bethe-Weizsäcker-cycle),則涉及碳、氮和氧等其他元素,自 1930 年代以來,理論便預測這是更重恆星的主要動力來源,太陽的話,據估計只有 1.7% 的氦-4 是經由碳氮氧循環過程產生。由於這兩種反應都會產生神祕難捉摸的微中子,科學家可透過不同的微中子光譜特徵來區別出兩者,但馬薩諸塞大學阿默斯特分校(UMass Amherst)粒子物理學家 Andrea Pocar 表示,迄今為止,從未在任何恆星中直接發現碳氮氧循環。

微中子又是科學界目前唯一能直接探測太陽核心的方法,但它們很難測量,儘管每秒每平方英吋有多達 4,200 億個微中子撞擊地球表面,但幾乎所有撞擊都不與普通物質相互作用,科學家只能使用背景輻射值極低的超大型探測器來捕捉蛛絲馬跡,義大利國家核物理研究所(INFN)的 Borexino 探測器就是其中一個工具。

2018 年時,Borexino 探測器對太陽質子-質子鏈反應產生的微中子進行過全面測量,幫助完善了微中子各種味之間振盪的參數;而現在,一個包含 1​​00 多名科學家的團隊首度發現了來自太陽核心碳氮氧循環產生的微中子,為解決太陽核心元素組成之謎帶來大大曙光。科學家將有機會測量恆星核心中氧、碳和氮等元素的豐度,也支持了之前太陽約 1% 能量來自碳氮氧循環的數據(太陽有 1.7% 的 4 氦核是經由碳氮氧循環過程產生)。

雖然這還無法解決太陽金屬度的問題,但至少也提供了一條參考途徑。原本義大利國家核物理研究所已準備讓 Borexino 探測器在今年底停止運作,現在,Borexino 探測器會再繼續工作至明年,好讓科學家收集更多數據。

新論文發表在《自然》(Nature)期刊。

(首圖來源:馬薩諸塞大學阿默斯特分校