來自太陽的“幽靈粒子” 證實“胖子”恆星的產能方式
NASA
意大利拉奎拉鎮，亞平寧山脈地下1000米深處，一個裝有近300噸液態烴的大罐子，正在靜靜地等待，等待着1.5億千米之外的太陽釋放一種“幽靈粒子”——中微子。
這種中微子來自太陽碳氮氧聚變循環。80年前，有科學家提出了碳氮氧循環的理論，這種碳氮氧循環反應是太陽次要的核聚變方式，它產生的能量還不足太陽整體能量的1%，但它卻被認爲是較大型恆星的主要能量來源。
80年來，世界各國的科學家都在想盡辦法去證實太陽碳氮氧聚變循環的存在，直到最近纔有了答案。
11月25日，《自然》雜誌發表論文稱，科學家通過高靈敏度檢測器檢測到了太陽碳氮氧聚變循環產生的中微子。對於這些中微子的測量，可以更好地幫助我們解太陽結構和太陽核心內的元素丰度，進一步瞭解不同恆星的主導能量來源。
恆星產能方式有兩種
豔陽天雖好，但出門遊玩的人，往往需要提前做好防曬準備。在科學家的眼中，看到的則是爲什麼太陽在1.5億千米之外發出的光線都能曬傷我們的皮膚。19世紀末的物理學家非常迫切地想知道，爲太陽這樣一個巨大“火球”提供能源的，到底是什麼。
今天，我們瞭解到，太陽源源不斷地釋放能量，主要是通過大規模的聚變反應。簡單地說，就是太陽內部的氫原子在高溫高壓的作用下不停地碰撞併發生反應結合成氦原子。這個過程就會以光和熱的形式釋放出驚人的能量。
但是，太陽上發生的聚變反應非常複雜。想要了解太陽或其他恆星上究竟發生了怎樣的聚變反應，只能通過科學的假設和收集細微的證據來實現。
在上世紀30年代，有科學家提出，太陽的氫核聚變有兩種，一種是質子—質子鏈，它只涉及氫和氦的同位素，在像太陽這樣的恆星中占主導地位；另一種是碳氮氧循環，它可能是更大質量恆星的主要能量來源。
“碳氮氧循環是氫元素核聚變反應的一種。氫元素不斷與碳氮氧元素髮生核反應，最終將氫元素轉化爲氦元素並釋放能量。因爲這個核反應過程有碳氮氧元素作爲催化劑參與，因此叫作碳氮氧循環。”南京大學天文與空間科學學院副教授張曾華告訴科技日報記者。
爲何太陽核聚變分爲兩種呢？張曾華解釋說：“越重的元素聚變反應所要求的溫度也越高。聚變反應的發生主要取決於恆星內部的溫度，而恆星內部溫度則取決於其質量的大小，質量越大的恆星內部溫度越高。氫的質子—質子鏈反應對溫度要求相對較低，碳氮氧循環對溫度要求相對較高。所以小質量的恆星難以支持碳氮氧循環，而以太陽的質量，則剛好能夠維持低速率的碳氮氧循環。”
因爲觀測難度高，這個理論始終只是一個科學猜想，人類一直沒有發現它存在的直接證據。若能證實這一理論，將有助於解釋較大質量恆星的形成和演化過程。
捕獲“幽靈粒子”有多難
不論是質子—質子鏈反應，還是碳氮氧循環，都會釋放出一種粒子，科學家稱其爲中微子。
太陽中微子飛越1.5億千米到達地球，我們卻很難將其捕獲，因爲它們幾乎沒有質量，能夠很輕鬆地以接近光速的速度穿透地球，這讓人們很難察覺它們存在的跡象。
更讓科學家爲難的是，要想對質子—質子鏈和碳氮氧循環釋放出的中微子進行深入研究，不僅要捕獲它們，還得把它們區分開。這是一項極具挑戰的工作。
張曾華告訴記者，不同來源的中微子能譜分佈有所不同。與質子—質子鏈產生的中微子相比，碳氮氧循環產生的中微子單個能量偏大，總體流量偏小。
“到達地面探測器的太陽中微子數目雖然可觀。但是，因爲中微子穿透力極強，它們與探測器裡的液體發生碰撞，產生可記錄的熒光信號的概率卻極小。每100噸探測液體每天只能記錄大約幾十個太陽中微子，其中可能只有幾個來自碳氮氧循環，其餘則來自質子—質子鏈。所以想要增加探測信號的數量，就需要增加探測的時間。”張曾華介紹說。
爲此，科學家設計了一個特殊的粒子探測器。爲了確保粒子探測器不被宇宙輻射湮沒，只接收罕見的中微子信號，科學家將它建在意大利亞平寧山脈地下1000米深處。
在這個大罐子中，裝有近300噸的有機閃爍液體，當大量中微子穿過這個液體時，極少數可以與其中的電子相互作用，釋放出微小的閃光，這些閃光的亮度表明了中微子的能量，那些由碳氮氧循環產生的中微子會發出相對更強烈的閃光。
張曾華說，碳氮氧循環反應產生的中微子不僅數量稀少，而且容易與由鉍-210放射性衰變產生的中微子混淆。因此，科學家必須改進儀器性能，從鉍噪聲中分離出來自太陽的中微子。
雖然該粒子探測器早就建好，但是爲了收集足夠多的碳氮氧循環中微子，研究人員花了3年半的時間，才積累到這次發現所需要的數據。
在科學家看來，這些遠道而來的中微子，堪稱太陽的信使。
“這次發現證實了碳氮氧循環的存在。也證實了當前的理論預言，那就是太陽1%的能量來自碳氮氧循環。”張曾華告訴記者，太陽中質子—質子鏈產生的能量佔99%，而碳氮氧循環貢獻的能量只有大約1%，但這1%的能量卻是我們瞭解其他恆星的一個重要窗口。
張曾華解釋說，不同質量的恆星中，質子—質子鏈與碳氮氧循環對能量的貢獻比率不同。恆星的質量小於1.3倍太陽質量時，質子—質子鏈起主導作用。恆星的質量大於1.3倍太陽質量時，碳氮氧循環起主導作用，“這次發現也驗證了，碳氮氧循環如何主導質量大於太陽質量的恆星產能方式”。
科學家認爲，碳氮氧循環產生的太陽中微子攜帶着太陽內部的金屬丰度信息，將來可以被用來直接測量太陽內部碳氮氧等元素的丰度，解答太陽的“金屬丰度難題”。
天文學中的金屬，與通常所說的金屬概念並不相同。天文學上把一切比氦重的化學元素都叫金屬，一顆恆星表層大氣裡金屬元素的總和就是金屬丰度，也就是恆星的金屬含量。
宇宙誕生之初，大爆炸產生了大量的氫、氦和極其微量的鋰，於是在這樣的環境下誕生了宇宙中的第一代恆星。
在那些比太陽更大更重的恆星中，碳氮氧這三種元素幫助催化核聚變反應，碳氮氧循環也就成爲主要的能源來源。過去，科學家通過恆星光譜來測定其金屬丰度，但是在觀測與理論出現不一致時，就需要更加直接的證據進行分析，而這些中微子可能有助於解釋恆星的形成和演化。（記者 張 曄）