太陽產生核能的最後一個謎題究竟是什麼？

中科院高能所美國國家航空航天局(NASA)的太陽和日球天文臺所觀測到的太陽。圖片來源：SOHO(ESA&NASA)

Borexino中微子探測器通過監測太陽的碳氮氧反應鏈釋放的中微子，證實此前對太陽能量來源的理論預測，並能用於推測日核的結構。物理學家通過捕獲來自恆星核心的中微子，解開了太陽能量來源的最後一個謎團。這項探測證實了數十年前的理論預測，即太陽產生的一些能量是由一系列鏈式反應產生的，其中包括碳核和氮核反應。

該過程將四個質子融合在一起形成一個氦核，釋放出兩個中微子(已知最輕的、構成物質的基本粒子)以及其他亞原子粒子和大量能量。這種碳氮氧(CNO cycle)循環反應不是太陽唯一的核聚變方式，它產生的能量不足太陽產生能量的1%，但它卻被認為是較大型恆星的主要能量來源。

俄亥俄州立大學的天體物理學家Marc Pinsonneault說：「能夠證實恆星結構理論中的一個基本預測，是十分美妙的。」上月，他們在一個會議上發表了這項在義大利中部的Borexino地下實驗室發現的結果。

此前，Borexino中微子探測器首次在一個獨立反應的三個不同階段中直接檢測到中微子，而該反應出現在大部分的太陽核聚變反應中。米蘭大學的物理學家Gioacchino Ranucci表示：「加上這個觀察結果，我們已經徹底弄清為太陽提供能量的兩個反應過程。」

這一發現對Borexino探測器來說可能是最後的一個裡程碑事件，目前這個探測器仍在收集數據，但很可能會在一年內關閉。該實驗的另一位發言人、熱那亞大學的Marco Pallavicini說：「我們以一次大發現告終。」

從2007年開始，Borexino太陽中微子探測器一直在Gran Sasso國家實驗室地下超過1km深的一個大廳中運行。這一探測器由一個裝有278噸液態烴的巨型尼龍氣球組成，完全浸沒在水中。絕大部分來自太陽的中微子都能直線穿過了地球(包括Borexino)，但極少量會在撞到碳氫化合物中的電子後反彈，這一過程產生的閃光能被排列在水箱中的光子傳感器捕獲。

由太陽的碳氮氧循環反應產生的中微子相對較少，因為它僅僅是太陽核聚變反應中的一小部分。此外，碳氮氧循環反應產生的中微子容易與由鉍-210放射性衰變產生的中微子混淆。鉍-210是一種同位素，能從氣球的尼龍物質洩漏到碳氫化合物中。

雖然，這些汙染物的濃度極低(在Broexino中，每天最多會出現數十個鉍核衰變)，但從2014年起，研究人員從鉍噪聲中分離出來自太陽的中微子需要不懈的努力。由於鉍-210的洩露是不能被避免的，所以他們就只能減慢這一元素擴散到流體中部的速度，並忽略一切來自於邊緣的訊號。為此，團隊必須控制水箱中的溫度平衡，因為溫度不平衡會導致液體對流，使其中的內含物更快地混合。Pallavicini說：「液體必須極端平靜，每月最多移動十分之幾釐米。」

為了使碳氫化合物保持在一個恆定、均勻的溫度，他們將整個水箱包裹在絕緣毯中，並安裝了熱交換器以自動平衡整體溫度。接下來要做的便是等待。直到2019年，鉍噪音變得足夠安靜了，探測器才能開始辨別中微子的信號。到2020年初，研究人員已經收集到了足夠的粒子來宣布他們已發現了由碳氮氧循環反應產生的中微子。

「這是首個表明氫可以在恆星中以碳氮氧循環反應形式燃燒的直接證據，」巴塞隆納空間科學研究所的天體物理學家Aldo Serenelli說，「所以,這真的很驚豔。」除了證實有關太陽能量來源的理論預測之外，對碳氮氧循環反應產生的中微子的探測還可以揭示日核結構，特別是檢測金屬元素(比氫和氦重的任何元素)的濃度。

Borexino探測器檢測到的中微子數量似乎和標準模型中的相符。在標準模型中，太陽的內核與其表面具有相似的「金屬性」。但Serenelli說，更多的新研究已經開始動搖這一假設。這些研究顯示日核的金屬性較低，由於日核中的元素能調節著熱量從日核擴散的速度，這意味著日核會比以前預估的略微冷一些。Serenelli說，中微子的產生對溫度極其敏感，但總的來說，Borexino所監測到的中微子似乎與之前模型的金屬性相符合，與這些新研究估計的金屬性相悖。

他和其他天體物理學家提出了一種新的可能性解釋，那就是太陽的內核比表面具有更高的金屬性。日核的組成可以揭示更多有關太陽在早期階段的信息，特別是考慮到行星在形成過程中，可能會吸附一些附著在年輕恆星上的金屬。