太陽能量來源的最后一塊拼圖,終于被補齊了


太陽能量來源的最后一塊拼圖,終于被補齊了



不論是遠古神話還是現代科學,解釋太陽能量來源都是它們重要的使命之一 。 中國神話的三足鳥,希臘神話的阿波羅,日本神話的天照大神,都是遠古人類對太陽能量來源的想象 。 而近代科學中,從液體球冷卻放熱到物質引力塌縮,再到衰變元素放熱,人類為解答太陽能源來源做了一系列嘗試 。
隨著質能方程式的提出,核聚變就成了最可能的太陽能量來源 。 而直到1938年,漢斯·貝特(Hans Bethe)提出了質子-質子鏈(pp鏈,Proton–proton chain)和碳氮氧循環(CNO循環)之后,人類才真正觸及了太陽核心的秘密 。 而今天,位于地下深處的中微子實驗室將目標指向九天之上的太陽 。 繼2014年發現來自質子-質子鏈的中微子之后,在最新的《自然》論文中,Borexino又發現了來自太陽內部碳氮氧循環的中微子,補上了太陽能量來源的最后一塊拼圖 。
現在我們知道,每秒鐘有超過10億億個光子,在名為太陽的天然巨型熱核反應堆中碰撞反射后,飛過8分鐘的路程,灑向地球白天一側每一平方厘米的土地 。 核聚變為這個過程提供了能量,而氫原子通過核聚變轉變為氦原子核的過程分為兩種,分別為質子-質子鏈和碳氮氧循環 。 根據標準太陽模型(standard solar model,SSM),質子-質子鏈反應占了絕大多數,只有1.7%的4He是由碳氮氧循環產生的 。 在質量更大、核心金屬豐度更高的恒星中,碳氮氧循環會占據更主要的地位 。
飄忽不定的中微子
【太陽能量來源的最后一塊拼圖,終于被補齊了】在太陽內部產生的光子可能需要在內部反射上萬年的時間才能到達太陽表面,而在太陽核心核聚變過程中產生的中微子,由于只參與引力相互作用和弱相互作用,能幾乎不受阻擋地從太陽核心以近光速到達地球表面 。 這也給了我們直接探測來自太陽核心的物質的機會 。
不過也正是出于這個原因,探測中微子本身就是一件難事 。 地球上每平方厘米每秒會接收到600億個來自太陽核心的中微子,但它們幾乎都不受影響地穿過地球 。 探測介質需要足夠大、足夠靈敏,才可能探測到中微子 。 同時,太過靈敏的探測器還必須屏蔽宇宙線的影響 。 因此,中微子探測器大多在地下,用厚重的巖層來屏蔽宇宙中各種高能粒子的影響,同時擁有數量龐大的透明探測介質,用以捕捉中微子在其中產生的零星閃光 。
20世紀60年代晚期,在美國南達科他州礦井中的霍姆斯特克實驗就探測到了來自太陽的中微子 。 不過,當時探測到的中微子只有理論預測的1/3,這也是所謂的太陽中微子問題 。 直到2001年,加拿大薩德伯里中微子觀測站(Sudbury Neutrino Observatory,SNO)給出中微子振蕩的明確證據,問題才得以解決 。 但是,這些實驗都沒能區分探測到的中微子是來自質子-質子鏈還是碳氮氧循環 。
尋找太陽中微子來源
最終解決這一問題的,是意大利的Borexino探測器 。 Borexino位于意大利中部亞平寧山脈深處,實驗設施上方有1400米的巖層覆蓋,屏蔽了來自宇宙的大多數粒子 。 就算μ子仍能穿過其上方1400米的巖層,實驗也會將其標記,并消除它的影響 。 Borexino探測器中包含了280噸超純有機液體閃爍體,并在其中布置了2212個光電倍增管 。 中微子可能和閃爍體中的電子發生彈性散射,而被彈性散射的電子會產生光子 。 光電倍增管檢測到這些光子后,反推電子在彈性散射時的能量和位置,就能推測出和其作用的中微子的性質,從而推測中微子來自哪種反應 。 而Borexino探測器也就此成為全球唯一一個能獨立、實時地探測中微子不同成分的探測器 。

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