太陽能量來源的最後一塊拼圖，終於被補齊了

2020-12-05 中科院物理所

太陽動力學觀測臺拍攝的太陽照片（圖片來源：NASA/SDO）

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像。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）之後，人類才真正觸及了太陽核心的秘密。而今天，位於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-質子鏈的中微子之後，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後一塊拼圖。

撰文 |王昱

審校 | 吳非

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後，飛過8分鐘的路程，灑向地球白天一側每一平方釐米的土地。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-質子鏈反應佔了絕大多數，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恆星中，碳氮氧循環會佔據更主要的地位。

碳氮氧循環（圖片來源：wikipedia）

飄忽不定的中微子

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，由於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。

不過也正是出於這個原因，探測中微子本身就是一件難事。地球上每平方釐米每秒會接收到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，加拿大薩德伯裡中微子觀測站（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。

SNO內部廣角照片（圖片來源：SNO）

尋找太陽中微子來源

最終解決這一問題的，是義大利的Borexino探測器。Borexino位於義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，並消除它的影響。Borexino探測器中包含了280噸超純有機液體閃爍體，並在其中布置了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後，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。

Borexino中微子探測器內部（圖片來源：Volker Steger/SPL）

2014年，Borexino探測到了來自質子-質子鏈反應的中微子。這是中微子探測領域裡程碑式的成就，標誌著人類從此可以分辨太陽中微子產生於太陽核心中哪種反應。

相比於質子-質子鏈反應，要探測到佔比只有1.7%的碳氮氧循環就更困難了。探測的主要難度集中在碳氮氧中微子的低能量和低通量，同時要將其從背景中微子信號中分離出來。通過精確測量中微子的能量和時間分布，可以將太陽中微子和探測器中的放射性汙染分離。

在這之前，Borexino用多年時間確保其閃爍體中的放射性汙染降到最低水平。即使如此，由溫度變化引起的微弱電流仍會讓放射性汙染從探測器外部向內部擴散。研究人員通過精細的溫度控制減輕這一影響，從而實現對碳氮氧循環中微子的檢驗。

Borexino中微子探測器，在外側包裹隔熱材料來精細控制探測器溫度。（圖片來源：The Borexino Collaboration）

終於，在經過十多年的測量之後，Borexino終於發現了來自碳氮氧循環中的中微子。地球表面每一平方釐米，每秒鐘大約有7億個來自太陽碳氮氧循環的中微子飛過。大約佔太陽中微子總數的1%，和標準太陽模型預測的一致。Borexino科學家安德裡亞·波卡爾（Andrea Pocar）表示：「探測到太陽中佔比1%的碳氮氧燃燒，增強了我們對當前太陽模型的信心。」這一成果發表於最新一期的《自然》雜誌。

直達太陽核心

這一結果為解決太陽核心元素構成之迷提供了機會。天文學中，比氦重的元素都被稱為金屬。恆星核心的金屬豐度會影響碳氮氧循環的速率，這反過來又會影響恆星的溫度和密度特徵，從而影響恆星的演化，以及外層的不透明度。

太陽的金屬性和不透明度會影響太陽中的聲速。數十年來，日震學測量和太陽標準模型對太陽聲速的預測一致，讓人們對模型充滿信心。然而，最近對太陽的光譜測量顯示外層不透明度明顯低於預期，和日震學的數據產生了差異。對於CNO循環中微子的精確測量，為這一研究提供了獨立的第三種測量方式，可以進一步揭示恆星的演化過程。

目前數據還不足以支撐對太陽核心元素組成的探測，但是至少為實現這一目標提供了一條道路。未來的實驗會通過尋找新方法來去除放射性汙染造成的背景噪聲影響，從而進一步提高Borexino的精度。同時，Borexino合作組織的巨大成就，讓我們更加了解太陽，以及大質量恆星的形成過程，並很可能促使我們在這個領域定下下一個要實現的目標。

參考文獻

https://www.nature.com/articles/nature13702

https://www.nature.com/articles/d41586-020-03238-9

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-11/tud-utp112520.php

https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_neutrino_problem

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0624-y

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