来源：ESA/NASA

通过捕捉恒星核心发出的中微子，物理学家终于了解到核聚变为太阳提供能量的最后一个缺失环节。

这次探测证实了科学家们几十年来的理论预测——即太阳的部分能量是由碳和氮核的一系列反应产生的。这个过程将4个质子聚合成一个氦原子核，释放出2个中微子(已知物质中最轻的基本粒子)，以及其他亚原子粒子和大量的能量。这种碳氮(CN)反应并不是太阳唯一的聚变方式，它产生的能量还不到太阳能量的1%，但科学家们认为它是较大恒星的主要能量来源方式。

俄亥俄州立大学哥伦布分校的天体物理学家Marc Pinsonneault说：“能够证实恒星结构理论的一个基本预测真是充满了智慧的美丽。”

6月23日，在虚拟中微子2020会议上，意大利中部的Borexino地下实验报告了这一尚未经过同行评审的发现。

该实验此前曾经首次直接探测到中微子，这些中微子来自一个单独反应的三个不同步骤，而这个反应占了太阳核聚变的大部分。意大利米兰大学的物理学家Gioacchino Ranucci是Borexino的联合发言人，他展示了这个研究结果，并表示：“有了这个结果，Borexino已经完全阐明了为太阳提供能量的两个过程。”

这些发现是Borexino的最后一个里程碑，该实验仍在采集数据，但现在可能已经注定会在一年内关闭。该实验的另一位联合发言人、意大利热那亚大学的马可•帕拉维西尼(Marco Pallavicini)说：“我们以一个惊人的发现结束了实验。”

气球探测器

Borexino太阳中微子实验位于Gran Sasso国家实验室的地下，深度超过1公里，从2007年开始，Borexino太阳中微子实验就已经开始在这里运行。探测器由一个巨大的尼龙气球组成，气球里面装满了278吨的液态碳氢化合物，并且浸没在水中。绝大多数来自太阳的中微子会以直线的方式穿过地球，但有一小部分中微子遇到碳氢化合物的时候会跟氢发生反应，生成一个正电子和一个中子，并产生闪光，水箱中排列有许多光子传感器来捕捉这些闪光。

来自太阳碳氮反应链的中微子相对较少，因为它只占太阳聚变的一小部分。此外，CN中微子也很容易与铋-210放射性衰变产生的中微子混淆。铋-210是一种同位素，这种同位素会从气球的尼龙泄漏到碳氢化合物混合物中。

虽然这种污染的浓度极低(在Borexino内每天最多衰变几十个铋原子核)，但从铋噪音中分离出太阳信号需要从2014年就开始艰苦努力。我们无法阻止铋-210从气球中泄漏出来，所以我们的目标是减慢元素渗透到液体中的速度，同时忽略外部边缘的任何信号。为了做到这一点，研究小组必须控制整个容器出现的所有温度不平衡，因为这种不平衡会产生对流，加速容器内物质的混合。“液体必须非常要静止，每月最多移动零点几厘米，”Pallavicini说。

为了使碳氢化合物保持恒定、均匀的温度，研究人员将整个水箱包裹在隔热毯中，并安装热交换器来自动平衡整个燃料箱的温度。然后，他们就开始了漫长的等待。直到2019年，铋的噪音变得足够安静之后，中微子信号才凸显了出来。到2020年初，研究人员终于收集到足够的粒子，能够宣称实验发现了从CN核聚变链中探测到的中微子。

西班牙巴塞罗那空间科学研究所的天体物理学家阿尔多·塞雷利(Aldo Serenelli)说：“这是首个证明氢通过碳氮反应在恒星中燃烧的真正直接证据。所以这真的很神奇。”

太阳表面的猜测

对CN中微子的探测不仅证实了有关太阳能量来源的理论预测，还可以阐明太阳核心的结构——特别是被天体物理学家称为金属元素(任何比氢和氦重的元素)的浓度。

Borexino实验观测到的中微子数量似乎与标准模型的一致，在标准模型中，太阳核心与表面的“金属丰度”相似。但是Serenelli说，更多最新的研究已经开始质疑这一个假设。

这些研究表明太阳的金属丰度较低。由于这些元素会调节热量从太阳核心扩散的速度，这意味着研究认为太阳核心的温度比之前的估计略低。中微子的产生对温度极其敏感，从总体上看，Borexino实验观测到的不同数量的中微子似乎与旧的金属丰度值一致，Serenelli说。

他和其他天体物理学家提出了一种可能的解释，认为太阳核心的金属丰度要高于外层。它的组成可以揭示更多关于太阳生命早期阶段的信息。(在太阳生命的早期阶段，行星还没有形成，而行星的形成会带走一些积聚在年轻恒星上的金属。)

【编译/前瞻经济学人APP资讯组】

参考资料：https://www.scientificamerican.com/article/neutrinos-reveal-final-secret-of-suns-nuclear-fusion/