来自太阳的“鬼粒子”证实了“胖”星的容量模式

在意大利拉奎拉，亚平宁山脉以下1000米深处，一个装有近300吨液态碳氢化合物的大罐子正静静地等待着，等待着1.5亿公里外的太阳释放出一种“幽灵粒子”——中微子。

这个中微子来自太阳碳氮氧聚变循环。80年前，有科学家提出了碳-氮-氧循环理论，这是太阳的二次核聚变模式。它产生的能量不到太阳总能量的1%，但被认为是较大恒星的主要能量来源。

在过去的80年里，世界各地的科学家都在尽最大努力确认太阳碳氮氧聚变循环的存在，直到最近才有了答案。

11月25日《自然》杂志发表论文称，科学家通过高灵敏度探测器探测到太阳碳氮氧聚变循环产生的中微子。对这些中微子的测量可以帮助我们更好地了解太阳结构和太阳核心中元素的丰度，进一步了解不同恒星的主导能源。

有两种方法可以产生恒星

虽然晴天还好，但是出去玩的人往往需要提前做好防晒准备。在科学家眼里，我们看到的是为什么1.5亿公里外的太阳的光能灼伤我们的皮肤。19世纪末，物理学家渴望知道是什么为像太阳这样巨大的“火球”提供了能量。

今天我们知道太阳持续释放能量，主要是通过大规模聚变反应。简单来说就是太阳中的氢原子在高温高压的作用下不断碰撞反应形成氦原子。这个过程会以光和热的形式释放出惊人的能量。

然而，太阳上的聚变反应非常复杂。要确切知道太阳或其他恒星发生了什么聚变反应，只能通过科学假设和收集细微证据来实现。

20世纪30年代，有科学家提出，太阳中的氢聚变有两种，一种是质子-质子链，只涉及氢和氦的同位素，像太阳一样支配着恒星；另一个是碳-氮-氧循环，这可能是质量较大的恒星的主要能量来源。

“碳-氮-氧循环是氢的一种核聚变反应。氢不断与碳、氮、氧反应，最终将氢转化为氦并释放能量。因为这个核反应过程涉及碳、氮、氧作为催化剂，所以叫做碳、氮、氧循环。”南京大学天文与空间科学学院副教授张告诉《科技日报》记者。

为什么有两种太阳核聚变？张解释说：“元素聚变反应越重，所需温度越高。聚变反应主要取决于恒星的内部温度，恒星的内部温度取决于其质量。质量越大，恒星内部温度越高。氢质子-质子链式反应需要相对较低的温度，而碳-氮-氧循环需要相对较高的温度。所以小质量恒星很难支撑碳氮氧循环，而太阳质量只能维持低速的碳氮氧循环。”

由于观测困难，这个理论只是一个科学猜想，人类从来没有找到它存在的直接证据。如果这一理论能够得到证实，将有助于解释大质量恒星的形成和演化过程。

捕捉“鬼粒子”有多难

无论是质子-质子链式反应还是碳-氮-氧循环都会释放出一种粒子，科学家称之为中微子。

太阳中微子飞行超过1.5亿公里到达地球，但我们很难捕捉到它们，因为它们几乎没有质量，可以很容易地以接近光速的速度穿透地球，使人们很难探测到它们存在的迹象。

更让科学家尴尬的是，如果要深入研究质子-质子链和碳、氮、氧循环释放的中微子，不仅要捕捉，还要区分。这是一项非常具有挑战性的任务。

张告诉记者，不同来源的中微子具有不同的能谱分布。与质子-质子链产生的中微子相比，碳-氮-氧循环产生的中微子单能更大，总通量更小。

“虽然到达地面探测器的太阳中微子数量相当可观。但由于中微子具有很强的穿透力，与探测器中的液体发生碰撞，产生可记录荧光信号的概率极小。每天每100吨探测液只能记录几十个太阳中微子，其中可能只有少数来自碳、氮、氧循环，其余来自质子-质子链。所以，如果要增加检测信号的数量，就需要增加检测时间。”张对说道。

为此，科学家设计了一种特殊的粒子探测器。为了保证粒子探测器不被宇宙辐射湮灭，只接收罕见的中微子信号，科学家们在意大利亚平宁山脉地下1000米深处建造了它。

在这个大罐子里，有将近300吨有机闪烁液体。当大量中微子穿过这种液体时，其中很少能与其中的电子相互作用并释放出微小的闪光。这些闪光的亮度表明了中微子的能量，那些碳、氮、氧循环产生的中微子会发出相对较强的闪光。

张说，碳、氮、氧循环反应产生的中微子不仅稀少，而且很容易与铋-210放射性衰变产生的中微子混淆。因此，科学家们必须提高仪器的性能，将来自太阳的中微子与铋噪声分离开来。

虽然粒子探测器是很久以前建造的，但研究人员花了三年半的时间来积累这项发现所需的数据，以便从碳、氮和氧循环中收集足够的中微子。

携带着太阳中金属丰度的信息

在科学家眼里，这些来自远方的中微子可以称为太阳的使者。

“这一发现证实了碳、氮、氧循环的存在。它还证实了目前的理论预测，即1%的太阳能来自碳、氮和氧循环。”张告诉记者，太阳中质子-质子链产生的能量占99%，而碳、氮、氧循环贡献的能量只有1%左右，但这1%的能量是我们了解其他恒星的重要窗口。

张解释了在不同质量的恒星中，质子-质子链和碳-氮-氧循环对能量的贡献率不同。当恒星质量小于太阳质量的1.3倍时，质子-质子链起主导作用。当恒星质量大于太阳质量的1.3倍时，碳、氮、氧循环起主导作用。“这一发现也验证了碳、氮、氧循环是如何支配质量大于太阳的恒星的能量产生方式的”。

科学家认为，碳、氮、氧循环产生的太阳中微子携带了太阳中金属丰度的信息，可以用来直接测量未来太阳中碳、氮、氧的丰度，解决太阳的“金属丰度问题”。

天文学中的金属不同于金属的概念。天文学上，所有比氦重的化学元素都被称为金属。恒星表面大气中金属元素的总和就是金属丰度，即恒星的金属含量。

宇宙诞生之初，大爆炸产生了大量的氢、氦和极少量的锂，所以宇宙中第一代恒星就是在这样的环境中诞生的。

在那些比太阳更大更重的恒星中，碳、氮、氧帮助催化核聚变反应，碳、氮、氧循环成为主要能源。过去，科学家利用恒星的光谱来测量它们的金属丰度，但当观测结果与理论不符时，需要更直接的证据进行分析，这些中微子可能有助于解释恒星的形成和演化。