首次捕獲太陽深處釋放的「幽靈粒子」,證實太陽某些能量來自碳氮氧...

據報導，太陽深處產生的難以捉摸的「幽靈粒子」首次被探測到，這有助於揭示使大質量恆星發光的反應。

在義大利拉奎拉鎮附近的一座山下，研究人員通過一個特殊的探測器捕獲了這些「幽靈粒子」的證據。

這種罕見的排放物——經過9000萬英裡到達地球——是在某些核反應中產生的，所產生的能量還不到太陽能量的百分之一。

然而，這些反應被認為在較大的恆星中更佔優勢——這可能有助於解釋它們的形成和演化。

論文作者、米蘭大學的天體粒子物理學家詹保羅•貝裡尼(Gianpaolo Bellini)說:「現在我們終於有了第一個突破性的實驗，證實了恆星是如何比太陽重的。」 這項研究的全部結果發表在《自然》雜誌上。

恆星的動力來自氫與氦的聚變，這可以通過兩種不同的過程發生——第一種是所謂的質子-質子鏈，它只涉及氫和氦的同位素。這在像太陽這樣的恆星中佔主導地位。

然而，在較大的恆星中，所謂的碳-氮-氧(CNO)循環——這三種元素幫助催化核反應——成為一種更重要的能源來源。它還釋放出被稱為中微子的幽靈般的粒子。

它們幾乎沒有質量——並且能夠穿過普通物質而不放棄任何它們存在的跡象。

然而，物理學家們想要研究這些來自太陽的輻射，因為更好地了解CNO循環在我們的恆星中是如何工作的，這將為更大的恆星——這個過程佔主導地位——如何燃燒它們的核燃料提供見解。

為了探測太陽的CNO中微子發射，物理學家們使用了所謂的「Borexino探測器」——一個55英尺高、層狀、洋蔥狀的機器，它的中心有一個叫做「閃爍體」的球形容器，裡面裝滿了278噸的特殊液體。

當中微子穿過這個液體時，它們可以與其電子相互作用，釋放出微小的閃光，這些閃光的亮度表明了中微子的能量，而那些由CNO循環產生的閃光則處於更強烈的一端。

這些數據由類似相機的傳感器採集，並由強大的硬體進行分析。

為了確保探測器只接收到罕見的中微子信號，而不被宇宙輻射淹沒，Borexino實驗被埋在地下，並被密封在一個水箱中，進一步保護。

貝裡尼教授說:「這是自1990年開始的30年的努力的成果，也是Borexino在太陽、中微子和恆星物理方面10多年的發現的成果。」

根據同樣來自米蘭的物理學家Gioacchino Ranucci的說法，實驗的成功應該歸功於溶液達到「前所未有的純度」。

對CNO中微子的探測揭示了太陽有多少是由碳、氮和氧元素組成的。

Ranucci博士補充說:「儘管之前已經取得了非凡的成功，而且探測器已經超純，但我們還必須努力進一步提高對極低殘留背景的抑制和理解。」

他接著說，這讓他們能夠「識別CNO周期中的中微子」。

這一發現最終證實了太陽的一些能量確實是由CNO循環反應產生的——這個概念最早在1938年被提出。

Borexino實驗發言人、熱那亞大學物理學家馬可•帕拉維西尼說:「這是多年不懈努力的成果，是我們把這項技術推向前所未有的極限。」

他還說，這使Borexino的核心成為世界上放射性最低的地方。

太陽是如何產生能量的？

太陽像所有的恆星一樣，能夠產生能量，因為本質上，它是一個大規模的聚變反應。科學家們認為，這是由巨大的氣體和粒子云(即星雲)在自身重力作用下坍縮的結果——這就是所謂的星雲理論。這不僅在我們太陽系的中心創造了一個巨大的光球，它還觸發了一個過程，即在中心收集的氫開始聚變產生太陽能。

這個過程以光和熱的形式釋放出驚人數量的能量，在技術上被稱為核聚變。但是從我們的太陽中心獲取能量，一直到行星地球，甚至更遠，需要幾個關鍵的步驟。最後，一切都歸結於太陽的各個層，以及它們在確保太陽能到達能夠幫助創造和維持生命的地方所扮演的角色。

圖片來源：Wikipedia Commons/kelvinsong

核心：

太陽的核心是從太陽中心延伸到太陽半徑20-25%的區域。在核心中，能量是由氫原子(H)轉化為氦原子核(He)產生的。這是由於地核內存在的極端壓力和溫度，估計分別相當於2500億大氣壓(25.33萬億KPa)和1570萬開爾文。

最終的結果是四個質子(氫核)融合成一個阿爾法粒子——兩個質子和兩個中子結合在一起形成一個與氦核相同的粒子。在這個過程中會釋放出兩個正電子、兩個中微子(將兩個質子變成中子)和能量。

核心是太陽中唯一能通過核聚變產生可觀熱量的部分。事實上，太陽產生的99%的能量發生在太陽半徑的24%以內。在30%半徑範圍內，核聚變幾乎完全停止。太陽的其餘部分被從核心通過連續層傳遞的能量加熱，最終到達太陽的光球層，並以陽光或粒子的動能的形式逃逸到太空中。

太陽釋放能量的質能轉化率為每秒426萬噸，它的威力相當於3.846×1026瓦，換句話說，相當於每秒9.192×1010兆噸TNT，也就是威力最大的熱核炸彈——1,820,000,000個「沙皇」炸彈！

輻射區域:

這是緊鄰核心的區域，延伸到太陽半徑的0.7。在這一層中沒有熱對流，但這一層中的太陽物質足夠熱，足夠密集，熱輻射是將核心中產生的強烈熱量向外傳遞所需要的全部。基本上，這包括氫離子和氦離子釋放出的光子，在被其它離子重新吸收之前經過了很短的距離。

這一層的溫度下降，從接近核心的大約700萬開爾文下降到對流區邊界的200萬開爾文。這一層的密度也下降了一百倍，從0.25太陽半逕到輻射區頂部，從最靠近核心的20克/立方釐米下降到上邊界的0.2克/立方釐米。

對流區:

這是太陽的外層，它佔了太陽內部半徑的70%以上(或從表面到大約下面200000公裡)。在這裡，溫度低於輻射區，較重的原子沒有完全電離。結果，輻射熱傳輸效率降低，等離子體的密度低到足以形成對流。

正因如此，上升的熱單元將大部分的熱量輸送到太陽的光球層。一旦上升到光球表面以下，它們的物質就會冷卻，導緻密度增加。這迫使它們再次下沉到對流區的底部——在那裡它們吸收更多的熱量，對流循環繼續下去。

在太陽表面，溫度下降到大約5700開爾文。太陽這一層的湍流對流也導致了在太陽表面產生磁極南北兩極的效應。

太陽黑子也出現在這一層，與周圍區域相比，它們以暗斑的形式出現。這些斑點與磁場中的濃度相對應，磁場抑制對流，並導致表面區域的溫度與周圍物質相比下降。

光球層:

最後是光球層，太陽的可見表面。正是在這裡，被輻射和對流到表面的陽光和熱傳播到太空中。這一層的溫度在4500到6000開爾文之間(4230到5730攝氏度)。由於光球的上部比下部冷，太陽在中心看起來比在太陽盤的邊緣更亮，這種現象被稱為邊緣變暗。

光球層有幾十到幾百公裡厚，也是太陽可見光不透明的區域。這是因為帶負電荷的氫離子(H -)的數量減少了，它很容易吸收可見光。相反，我們所看到的可見光是由於電子與氫原子反應而產生的H -離子。

光球釋放出的能量然後通過空間傳播，到達地球的大氣層和太陽系的其他行星。在地球上，大氣層的上層(臭氧層)過濾了太陽的大部分紫外線(UV)輻射，但將一些輻射傳遞到地球表面。接收到的能量隨後被地球的空氣和地殼吸收，加熱了我們的星球，並為生物體提供了能源來源。