调整太阳内部的不透明度对模型预测从辐射传输到对流传输的转变有直接影响。（图片来源：APS/Alan Stonebraker）
我们对于太阳和其他恒星的理解建立在高温、稠密环境中能量运动模型的基础上。由核心产生的能量必须通过大量的电离物质（等离子体），才能到达恒星表面，从而辐射出去。这种能量传输有两种途径：通过辐射或者对流。辐射传递能量的效率以及辐射被对流替代都取决于恒星等离子体的不透明程度。恒星模型中的所用特定元素的不透明度是复杂计算的贡献，这很难直接检验。但是，最近新墨西哥州的桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories in New Mexico）Z仪器取得了进展，使得在核心条件下观测等离子体成为可能，尽管只有少量的物质和短时间的观察。来自桑地亚实验室的Taisuke Nagayama和他的同事已经使用Z设施测定了在太阳内部高温度密度下的铁、铬和镍的不透明度。他们发现测量的不透明度和模拟的不透明度间存在很大差异，这意味着对恒星的不透明度计算并不正确。这个结果可能意味着我们对太阳和恒星的了解并不如我们想象的那么清楚。
检验核心不透明度的挑战在于，我们不能轻易地重现恒星内部的环境，除非发生热核爆炸（氢弹）。在之前的研究中，研究人员采取了一种基于太阳边界的间接测试方法，这种测试将能量传输从辐射转换到对流（图一）。预测位于对流区底部的边界的位置在很大程度上取决于我们在太阳模型中插入的不透明度值。而且我们可以通过与日震观测的结果进行对比来检验这些输入是否正确。日震学是研究太阳表面气体的振荡运动的学科，可以通过与模型无关的方式精确地揭示太阳的内部结构。尤为重要的是，日震观测告诉我们，辐射对流边界出现在0.713±0.001r（其中r是太阳半径）。如果太阳模型的不透明度是错误的，那么它们将无法模拟来自太阳地震所测量的边界位置。
但这就是事情复杂的地方。恒星的不透明度取决于两个部分：一个是特定元素的内禀不透明度，另一个是恒星中所含元素的原子和/或离子的数量。后者由一个称为“金属丰度”的参数来量化，该参数是相对于氢的其他重元素的丰度。恒星天体物理学界目前对太阳金属丰度存在分歧，之前的测量给出了较高的金属丰度，近期的测量给出了较低的值。当结合计算得到的内禀不透明度时，之前的金属丰度值会产生与日震约束非常匹配的太阳模型。但与之相反的是，新的金属丰度并没有相配对的结果。那么，到底是新的金属丰度测量出现错误还是代入模型的内禀不透明度的计算出现了错误？为解决这一争论，我们需要一种直接测量内禀不透明度的方法。
2015年，在Z设施中，首次在模拟太阳相似条件下直接进行内禀不透明度的测定。在这次实验中，一层薄薄的铁箔被一兆焦耳电磁脉冲所产生的X射线照射，使得样品被加热到两百万开尔文。在这样的温度下，铁被电离，产生了短暂的致密等离子体。光谱仪记录下X射线穿过等离子体的波长区间是7~12.7A。通过估计每种波长的光被阻挡的情况，研究人员确定了等离子体的不透明度。结果表明了铁的内禀不透明度高于预期，这意味着我们需要重新考虑高温等离子体中的光子吸收计算。太阳的对流层底部含有多种离子铁，但其主要的铁离子是失去17个电子的离子，只剩下两个电子层，一个完整的K电子层和有一个空位的L电子层。如果2015年的实验正确的话，那么理论物理学家一定是错误估计了高度电离铁中L电子层的电子跃迁强度。
然而，为了确保问题出现于计算中，实验人员需要通过后续的观察来确定他们的结果。Nagayama等人重复了铁的测定，并且还测定了铬和镍的不透明度，铬和镍的电子结构相似。在相同条件下，镍有着完整的L电子层，但铬（的L电子层上）有三个空位。如果模型的不透明度问题是由于L电子层的电子跃迁造成的，那么对于理论与实验的差异而言，镍的差异是最小的，铬是最高的。Nagayama等人证实了2015年的试验中铁的不透明度，表明旧的结果是可重复的。然而，有趣的是，与预期相反，理论与实验的差异是铁最高，而不是铬。铁的异常在远离光谱线的低波长处特别明显。不透明度应该在没有光谱线的区域更容易计算，但即使在这些没有线条的区域，对铁不透明度的计算也被低估。相反的，铬和镍的计算结果与观测结果相符，这似乎排除了一个简单的解释，即这种差异取决于原子序数或电子数。
当然，仅仅知道存在差异对我们的帮助不大，除非我们知道了导致其中差异的物理原理。2015年的结果促使原子物理学界重新审视不透明度的问题。一些想法被提出，例如其中所包括的不太熟知的光子吸收过程，但这是新结果给问题增加困难性前，先使不透明度问题变得得不透明。因此理论学家的工作要在实验学家之前，但实验学家也应如此。因为太阳中充满其他需要考虑的光吸收元素。氧和氖分别贡献了太阳对流层底部的25%~27%和10%~13%的不透明度，与之相比，铁贡献了15%~20%。要对太阳的不透明度有个更全面的了解，之后的实验应弄清如何将氧和氖制成样本。我们大约需要很长的一段时间，直到我们弄清太阳材料的不透明度。
这项研究发表在《物理学评论》（Physical Review Letters）上。
作者：Sarbani Basu，耶鲁大学天文系
翻译：王麟涛
引进来源：美国物理学会
关于作者：
Sarbani Basu是耶鲁大学天文系的一名教授。她于1993年在印度获得了Ph.D.，在英国、丹麦和美国拥有博士后职位，之后她于2000年进入耶鲁大学工作。她的研究包括使用太阳和恒星的振荡频率探究太阳和恒星物质的性质。鉴于她在认识太阳和恒星内部结构和动态方面的贡献，美国天文协会为她颁发了2018年乔治·埃勒里·海耳奖太阳物理学奖。
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