由美国国家航空航天局（NASA）的太阳和日球天文台所观测到的太阳
图片来源：SOHO（ESA&NASA）
物理学家通过捕获恒星核心产生的中微子，解开了太阳能量来源的最后一个谜团。
这项探测证实了数十年前的理论预测，即太阳的一些能量是由一系列包含了碳核和氮核反应产生的。该过程将四个质子融合在一起形成一个氦核并释放出两个中微子（已知最轻的物质基本粒子）以及其他亚原子粒子和大量能量。这种碳氮（CN）反应不是太阳唯一的聚变方式，它所产生的能量事实上不足太阳能量的1%，但它却被认为是较大型恒星的主要能量来源。
位于哥伦布的俄亥俄州立大学的天体物理学家Marc Pinsonneault说：“能够证实恒星结构理论的基本预测之一是十分美妙的。”意大利中部Borexino地下实验的研究结果在虚拟中微子2020会议（the virtual Neutrino 2020 conference）上发布，该报告尚未经过同行评审。
这一设施曾从一个独立反应的三个不同阶段中首次直接检测到中微子，该反应占据了太阳大部分的聚变。Borexino联合发言人，米兰大学（意大利）的物理学家Gioacchino Ranucci表示：“加上这个结果，Borexino已经彻底弄清为太阳提供能量的两个反应过程。”
这一发现是Borexino中微子探测器的最后一个里程碑，该实验仍在收集数据，但目前看来很可能注定要在一年内关闭。“我们以一次大发现告终。”该实验的另一位发言人，热那亚大学（意大利）的Marco Pallavicini说。
气球探测器
从2007年开始，Borexino太阳中微子实验一直在Gran Sasso国家实验室地下超过一公里深的一个大厅中进行。探测器由一个装有278吨液态烃的巨型尼龙气球构成，并完全浸没在水中。绝大部分来自太阳的中微子都以直线穿过了地球（以及Borexino），但一小部分会在撞到碳氢化合物中的电子后反弹，并产生能够被排列在水箱中的光子传感器捕获的闪光。
来自太阳CN反应链的中微子相对较少，因为它仅仅是太阳聚变中的一小部分。此外，CN中微子容易与铋210放射性衰变所产生的中微子混淆。铋210是一种从气球的尼龙物质泄漏到碳氢化合物中的同位素。
虽然这些污染的浓度极低（在设施Broexino中每天最多出现几十个铋核衰变），但从2014年起，从铋噪声中分离出来自太阳的讯号就需要不懈的努力。由于铋210的泄漏是不能被避免的，所以就只能减慢这一元素扩散到流体中部的速度，并忽略一切来自边缘的讯号。为此，团队必须控制水箱中的温度平衡，因为温度不平衡会导致液体对流并更快地混合其内含物。“液体必须非常静止，每月最多移动十分之几厘米。” Pallavicini说。
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为了使碳氢化合物保持在一个恒定、均匀的温度，他们将整个水箱包裹在绝缘毯中，并安装了热交换器以自动平衡整体温度。接下来要做的便是等待。直到2019年，铋噪音变得足够安静了，中微子的信号才得以辨别。到2020年年初，研究人员已经收集到了足够的粒子来宣布他们已发现了来自CN核聚变链的中微子。
“这是首个表明氢可以在恒星中以CN反应形式燃烧的直接证据，”西班牙巴塞罗那空间科学研究所的天体物理学家Aldo Serenelli说，“所以这真的很惊艳。”
太阳表面推测
除了证实有关于太阳能量来源的理论预测之外，对CN中微子的探测还可以揭示日核的结构，特别是被天体物理学家称为金属(比氢和氦重的任何元素)的元素浓度。
Borexino监测到的中微子数量似乎和标准模型中的相符。在标准模型中，日核与日表有相似的“金属性”。但Serenelli说，更多的新研究已经开始动摇这一假设了。
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这些研究表明日核的金属性会较低一点，而且由于这些元素调节着热量从日核扩散的速度，这意味着日核会比以前预估的略微冷一些。Serenelli说，中微子的产生对温度极其敏感，但总的来说，Borexino所监测到的中微子似乎与从前的金属性相符合，与新估计的金属性相悖。
他和其他天体物理学家提出了一种可能的解释，那就是日核比日表具有更高的金属性。它的成分可以揭示更多有关太阳生命早期的信息，因为在行星形成的过程中，可能会移去附着在年轻恒星上的一些金属。
作者：Davide Castelvecchi是《自然》杂志的资深记者，内容涉及物理学、天文学、数学和计算机科学。
翻译：魏沁悦
审校：费哲妮
引进来源：科学美国人
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