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太可怕了太阳中心有个“洞”!

2018-08-03  |  《大科技》杂志 原创 独家 收藏(197)  | 

太阳中心有个“洞”

最近,天文学家发现,太阳的中心有约1500倍地球质量的物质消失了,它们完全找不到了,在那里出现了一个“洞”。我们之前的理论和观测都认为那里不应该有“洞”,但在最近,通过对太阳更加仔细地分析后发现,那里确实有个“洞”。这可是一个很大的麻烦,它动摇了我们对太阳的基本理解。

太阳之所以重要,不仅仅是因为它为地球上的生命提供了光和热,它还是我们理解更广阔宇宙的钥匙。我们把太阳当作一个重要的参考,借此可以分析出其他恒星的亮度、年龄等信息,还可以分析出它们周围是否有类似地球的行星。如果我们对太阳理解错了,那么对所有的恒星理解都错了。

问题是怎么产生的呢?要想理解这个,我们首先来了解一下我们是如何知道太阳内部组成的。

借助于日震和光谱

要弄清楚太阳内部并不那么容易,毕竟,我们不能去那里收集个样品。现在,主要有两种方法来调查太阳内部。一种方法是研究日震,即通过观测太阳表面的振动来分析。振动通常是太阳内部能量向外释放引起的,而太阳的内部结构以及它的成分对这些能量如何释放起到了决定性的作用。天文学家可以借助太阳探测器来对日震进行分析,进而获得太阳内部的信息。

另一种方法则是研究太阳的光谱。天文学家会借助高科技的棱镜得到太阳的光谱,并在光谱中分析各种化学元素在光谱中留下的独特谱线,进而分析出太阳内部的组成。

多年来,日震学家和光谱学家所得到的分析结果是完全相同的,他们都认为,太阳是由一个巨大而密集的球体,大约在46亿年前形成的,主要是氢和氦构成的,除此之外,太阳还有其他更重的元素,包括氧、碳、铁、氖、氮、硅、镁和硫等。为了简单起见,天文学家把所有这些重元素都称之为“金属”。它们分散在太阳内部,其质量略低于太阳总质量的2%。尽管它们的含量不多,但这些金属对太阳的各种活动都起到了很重要的影响。

消失的金属

在上个世纪90年代末期,瑞典天文学家马丁·阿斯普伦德首先注意到,这幅太阳的画面并不完全正确。他当时在研究太阳外层物质的运动,这个研究的必要步骤是对太阳光谱进行更加仔细的分析。

当时,光谱学家研究恒星表面时,采用的数学模型是相当简单的,他们只把太阳表面当成一个一维的圆圈而已。但事实上,太阳的表面是三维的:它不只是一个球体的二维表面,就像地壳一样,它还有厚度。阿斯普伦德利用超级计算机建了太阳的模型,把将太阳的表面积和厚度都考虑进去。在2009年,他给出了一个令人吃惊的结果:太阳中约1/4的金属都无法再找到了,消失的金属质量大约是地球质量的1500倍。

如果阿斯普伦德是对的,这意味着那些日震学家所做的一切都是错的。但这怎么可能呢?所以,当时其他天文学家都认为,是阿斯普伦德弄错了。然而,没有人能够给出合理的证据来否定他的研究结果。

随着时间的流逝,阿斯普伦德的研究结果越来越受到同行的关注,他的论文已经成为天文学领域中引用次数最多的论文之一。毕竟,如果他的结果是对的话,那么会对于太阳以及其他恒星的理解有很大的影响。

那么,该怎么解释他的结果呢?

如果能级可以改变

面对阿斯普伦德的研究结果,一些天文学家开始质疑那些我们长期信以为真的假设。以色列耶路撒冷希伯来大学的物理学家多伦·盖兹特就是其中的一位。他认为,阿斯普伦德的结果可能是正确的,但那些缺失的金属并不是真的消失了,它们仍然存在,只不过它们没有像预期的那样表现出来。

盖兹特表示,问题的关键在于原子的能级。我们知道,原子是由原子核以及围绕在原子核周围的电子构成的,而原子内的电子只能在特定的、分立的轨道上运动,各个轨道上的电子具有分立的能量,这些能量值即为能级。电子轨道离原子核越远,其能级就越高。

电子可以通过吸收或辐射出光子,从一个轨道跃迁到另一个更高或更低的轨道上,但吸收或辐射出的光子的能量,必要精确等于两个能级间的能量差值。光子的能量由它的频率来决定,所以,一种元素的原子可以吸收或辐射出特定频率的光子。而当天文学家通过光谱分析太阳光时,会发现一些频率上光的强度会减弱,在光谱中上留下许多谱线,这其实就是太阳内的原子吸收了特定频率光子造成的。天文学家可以根据这些谱线,分析出是哪种原子吸收了这些光子,进而知道太阳的化学元素组成。

通常来说,原子内各个电子轨道的能级是不会发生变化的。但在太阳核心的极高温度和压强下,原子的热运动比正常情况下更剧烈。这种剧烈的热运动会使得原子中一些轨道的能级发生改变,这就改变了原子所能吸收(或辐射)的光子能量,使得一些元素在光谱上留下的谱线变得跟正常情况不一样。盖兹特认为,如果忽视这种效应,那么通过光谱分析太阳内部组成时,就会得到错误的结论。

要想验证盖兹特的理论,唯一方法是观察在与太阳内部类似的温度和压强下与光子相互作用的原子。一个看似不可能的任务,但是对于美国桑地亚国家实验室而言,这不是什么问题。该实验室的Z脉冲功率设施(简称Z机),可以让样品在短时间内暴露于极端温度和压强的环境中。在2015年公布的一系列实验中,科学家把一块只有4毫米厚的铁片暴露在Z机内,并让Z机产生类似于太阳内部的温度和压强。结果显示,在这种极端条件下,样品内铁原子的电子轨道能级确实发生了变化。

但是,要想得到强有力的证据,需要在各种极端条件下来测试太阳内每种金属原子能级的变化。也就是说,我们还需要进行很多次的实验,而目前还很难说盖兹特的理论就能解决问题。

用暗物质来填补

如果不是能级的变化引起的,也许另一种物质可以填补太阳中的“洞”。毕竟,利用光谱来研究太阳,只能检测产生或吸收辐射的物质,而占宇宙约27%的暗物质,既不能产生也不能吸收辐射,这个属性使得暗物质成为填补太阳中的“洞”的合理候选者。

让约1500倍地球质量的暗物质积聚在太阳中心,并不是一件不可思议的事情。像所有其他形式的物质一样,暗物质也受到引力的作用。也许,当我们的星系在太空中缓慢旅行时,我们碰到的任何暗物质都可能被吸引到太阳的中心。一些天文学家认为,被暗物质填补之后,其结果就有可能与通过日震学得到的结果相匹配。

不过,许多天文学家对引入暗物质来解释太阳缺失的金属仍持怀疑态度。也许,解决争议的最简单方法,就是采用一种全新的方法,对太阳内部进行一次测量。

借助于中微子

一种新的方法是,通过观测中微子来分析太阳内部。中微子是一种质量很小的粒子,太阳中微子主要来源于其内部发生的核聚变。

太阳产生的中微子数量非常多,地球面向太阳的区域每秒在每平方厘米上会有约650亿个来自太阳的中微子以接近光速的速度穿过。绝大多数中微子是太阳外层氢元素聚变时产生的,不过,100个中微子中大约有一个是碳氮氧循环产生的。其中,碳氮氧循环是一种有碳、氮和氧元素参与的聚变过程,一般发生在太阳核心处。通过测量这种中微子抵达地球某一区域的数量,我们就可以推算出太阳产生这种中微子的总量,并以此推测出太阳中金属的含量。

这是一种与日震学、光谱学不同的探测方法,也许它能够真正解决问题。不过,中微子本身就难以被检测到,而且这里还有个大麻烦——碳氮氧循环产生的中微子与普通的中微子看起来非常相似,这得需要一种灵敏度更高的可收集更多中微子的探测器,才能有机会分辨出碳氮氧循环产生的中微子。

目前,我们最大的希望寄托于在一台位于加拿大的名为SNO+的新型中微子探测器上,它装备一个巨大的液体储罐,当中微子通过时,这个液体储罐就会发出蓝光。SNO+比其他探测器更大,埋在地下更深,能隔离更多的其他粒子,并能够探测到更多的中微子。

当SNO+正式运行时,它就能借助探测中微子窥见太阳的核心。也许,该探测器可以证实阿斯普伦德的结论,或发现太阳那个“洞”根本不存在,或发现太阳中的“洞”可能比预想的更大。

究竟结果如何,让我们拭目以待。


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