鐵元素「超級吸收」太陽內部輻射能

2020-12-08 騰訊網

在實驗室的環境創造了太陽物理條件的參數,科研人員第一次在實驗基礎上修正了理論的參數。光線從太陽核心穿越到太陽的表面,如何定量描述鐵元素在光線穿越過程中發揮的關鍵作用?科研人員發現,實驗和理論數據之間存在明顯的偏差。在一項達到了太陽內部溫度的實驗中,桑迪亞國家實驗室Z機器部門的科研人員確定了鐵元素在太陽內部熱輻射傳導過程中的作用,科學家第一次在實驗條件下確定了鐵元素的作用。鐵元約束了熱核能量從太陽中心向太陽輻射帶邊緣的傳遞,太陽輻射帶位於太陽內核和太陽外層對流區域之間。

鐵元素的功能比以往的理論推測更為強大,實驗數據填補了理論的「缺口」。根據太陽物理的標準模型,天體物理學家推算了鐵元素功能的理論參數,他們開發了太陽物理學的標準模型,它成為了分析恆星行為的理論基礎。新的實驗研究獲取了鐵元素的非傳導性參數,鐵元素實質性的阻擋作用延緩了光子在太陽內部的傳播,發源於太陽深層區域的輻射能量將會傳遞到太陽的表面,而太陽核心的輻射能量由氫元素的核聚變反應產生。

桑迪亞國家實驗室的主要研究員吉姆·貝利解釋說,新的實驗數據將被嵌入太陽物理的標準模型,從模型輸出的計算數據更好地匹配了實際觀測的結果,《自然》雜誌登載了貝利科學團隊的實驗成果。早在2000年,科學家發現了標準模型和實驗檢測之間的數據差異,科學家當時分析了太陽光譜線,他們被迫按照30%到50%的比例降低了物質元素對能量的吸收作用,這些吸收能量的物質元素有氧、氮和碳。

物質元素吸收能量的功能下降,這意味著輻射能量更容易從太陽核心到達太陽的輻射表面,過去,模型預測的難易性存在問題,在太陽的理論預測和實際的觀測結果之間產生了偏差,觀測結果以太陽不同區域的溫度和密度變化值為基礎。理論模型必須和觀測結果保持一致,科學家尋求建立兩者之間新的平衡機制,或者是物質元素抵抗輻射傳遞的功能下降,比如:更少數量的物質元素,或者是要重新考慮太陽物理模型的有效性。

包括多名成員的實驗團隊開展了長達十年勤奮而艱苦的實驗,他們最終發現,鐵元素物質的非傳導性功能增加了30%到400%。天體物理學家以往廣泛使用的參數偏低,他們低估了與波長有關的非傳導性鐵元素物質的作用。理論模型與觀測數據出現了差距,兩者的差距反映了多少數量鐵元素的非傳導性隨著能量輻射波長的變化而變化。鐵元素物質的非傳導性差不多提高了一半,非傳導性的上升幅度解決了太陽熱輻射的傳遞問題,鐵元素只是其中的一種吸能物質,其它元素同樣具有非傳導性功能,而在分析恆星如何傳遞能量的功能方面,鐵元素髮揮了某種關鍵作用。

科學團隊獲得準確的實驗數據非常困難,主要原因在於對恆星內部探測的困難性,恆星核心是宇宙最為神秘的地方,由於恆星核心的不透明性,遙遠的恆星探測儀器無法探視恆星內部的核反應,恆星核心具有極高的溫度,探測器幾乎不可能進入恆星的「火爐」,在實驗室條件模擬太陽物理實驗極為困難,物理學家描述了原子如何嵌入到太陽等離子體,它們如何吸收輻射能量,然而,物理學家從未進行實驗檢驗,他們從理論上認識到,鐵元素等物質對能量的吸收作用主導了輻射能量的傳遞過程,從太陽核心的熱核反應中產生的輻射能量傳遞到太陽的外層區域。

科學團隊在Z機器裝置中創造了幾乎和太陽內部同樣的溫度和密度條件,實驗條件最大地影響了理論預測和實驗結果之間的差異,能量傳導佔主導性的邊緣區域足夠大、輻射傳遞的持續時間足夠長、傳導的均勻性足夠好,這為精確測定創造了條件。科學團隊利用新的實驗條件檢測了鐵元素的非傳導性,鐵是少數幾個在輻射能量傳導過程中發揮最大作用的物質元素。鐵元素在太陽內部的所有豐富元素中最為重要,鐵元素具有最多數量的「綁定電子」,高質子數和電子數決定了它在輻射能量的傳遞過程中起到的關鍵作用,鐵元素在太陽模型的能量輸出中發揮了最大的影響效應。然而,科學家將鐵元素非傳導性的「修正值」作為一種解決理論推導和實際觀測之間差異的方法,這引起了科學人士的很多爭議。

無論科學團隊做了什麼,他們不能獲得所有不同條件的測量結果。存在20種吸收能量的元素,鐵元素是其中的一種,存在大範圍浮動的溫度和密度,科學團隊重點考察了鐵元素的功能,原因在於鐵元素具有複雜的電子結構,考察鐵元素在太陽物理學的重要性很有啟發性。太陽成為了檢測的樣本,這為開發恆星的物理模型創造了類比條件。缺少實驗檢測結果,科學家不知道現有的太陽物理模型是否準確。人們並不完全了解太陽的內部機理,同樣,人們並不完全理解其它恆星的內部活動,不確定的因素有待更多的理論和實驗研究。

桑迪亞國家實驗室的Z機器創造了「人造太陽」,它的內部溫度相當於210萬度,嵌入其中的小樣品只有大約一顆沙粒的大小,科學團隊在高溫、高密的實驗條件完成了理論物理學家不能完成的實驗,他們獲得第一手數據,為科學家了解鐵原子在太陽內部的作用機理提供了實驗基礎。科學團隊最近的實驗項目涉及到各種元素的組合,他們將鐵元素和鎂元素相互混合,用塑料和鈹元素物質將它們包裹、填塞,穿透填塞物的能量輻射將鐵和鎂元素物質加熱,填塞物發生了膨脹,而塑料外層限制了填塞物的膨脹,使得填塞物保持了更好的均勻性,這有利於對原子非傳導性的測量,鎂原子提供了有關溫度和密度的信息。科學團隊的實驗項目得到了政府科學基金的幫助。

(編譯:2015-1-9)

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