太阳能能源的最后一个谜题终于完成了
太阳动力学观测站拍摄的太阳照片(来源：美国国家航空航天局/空间数据组织)
无论是在古代神话还是现代科学中，解释太阳能的来源都是他们的重要使命之一。中国神话的三条腿的鸟，希腊神话的阿波罗，日本神话的亚马逊神，都是人类对太阳能资源的古老想象。在现代科学中，人类对太阳能的来源做了一系列的尝试，从液体球体的冷却放热到物质的引力坍缩，再到衰变元素的放热。
随着质能方程的提出，核聚变成为最有可能的太阳能来源。直到1938年，当汉斯贝特提出质子-质子链(pp链)和碳-氮-氧循环(CNO循环)时，人类才真正触及了太阳核心的秘密。今天，位于地下深处的中微子实验室瞄准上方九天的太阳。继2014年发现来自质子-质子链的中微子之后，Borexino在最新论文《自然》中发现了来自太阳中碳、氮、氧循环的中微子，填补了太阳能资源的最后一个谜团。
作者|王宇
修订|吴菲
现在我们知道每秒钟有超过10亿个光子，在名为孙的天然巨型热核反应堆中碰撞反射，然后飞行8分钟，白天洒在地球的每一平方厘米。核聚变为这个过程提供能量，氢原子通过核聚变转化为氦核的过程有两个，即质子-质子链和碳氮氧循环.根据标准太阳模型(SSM)，质子-质子链式反应占绝大多数，4He只有1.7%是由碳、氮、氧循环产生的。在质量更大、核心金属丰度更高的恒星中，碳氮氧循环会占据更主要的地位。
碳、氮和氧循环(来源：维基百科)
飘忽不定的中微子
太阳产生的光子可能需要内部反射几万年才能到达太阳表面，而太阳核心核聚变过程中产生的中微子由于只参与引力作用和弱相互作用，几乎可以不受阻碍地以光速从太阳核心到达地球表面。它也给了我们从太阳核心直接探测物质的机会。
然而，正是因为这个原因，探测中微子本身就很困难。地球上每平方厘米每秒会接收到600亿个来自太阳核心的中微子，但它们几乎都不受影响地穿过地球。探测介质需要足够大，足够灵敏，以探测中微子。同时，过于灵敏的探测器也必须屏蔽宇宙射线。所以中微子探测器多在地下，用厚厚的岩石层屏蔽宇宙中各种高能粒子的影响，并有大量透明的探测介质捕捉中微子产生的零星闪光。
20世纪60年代末，在美国南达科他州的一个矿井中进行的家庭实验中，探测到了来自太阳的中微子。在不过，当时探测到的中微子只有理论预测的1/3，这也是所谓的太阳中微子问题。,这个问题直到2001年才得到解决，当时萨德伯里中微子天文台(SNO)给出了中微子振荡的明确证据。然而，这些实验未能区分检测到的中微子是来自质子-质子链还是碳-氮-氧循环。
SNO广角照片(来源：SNO)
寻找太阳中微子来源
这个问题的最终解决方案是意大利的Borexino探测器。博雷西诺位于意大利中部亚平宁山脉深处。实验设施覆盖着1400米的岩石层，保护大多数粒子免受宇宙的影响。即使子仍然可以穿过它上面1400米的岩石层，实验也会标记它，消除它的影响。Borexino探测器包含280吨超纯有机液体闪烁体，其中安装了2212个光电倍增管。中微子可能与闪烁体中的电子发生弹性散射，弹性散射的电子会产生光子。这些光子被光电倍增管探测到后，就可以推导出电子在弹性散射中的能量和位置，进而推断出中微子与它们相互作用的性质，进而推断出中微子来自的反应。而Borexino探测器也就此成为全球唯一一个能独立、实时地探测中微子不同成分的探测器。
博列西诺中微子探测器内部(来源：沃尔克斯泰格/SPL)
2014年，Borexino从质子-质子链式反应中探测到中微子。这是中微子探测领域的一个里程碑式的成就，标志着人类从此可以区分太阳中微子的哪个反应是在太阳核心产生的。
相比于质子-质子链反应，要探测到占比只有1.7%的碳氮氧循环就更困难了。探测的主要难点集中在碳、氮、氧中微子的低能量和低通量上，需要将其与背景中微子信号分离。通过精确测量中微子的能量和时间分布，太阳中微子可以在探测器中与放射性污染物分离。
在此之前，Borexino花了多年时间确保其闪烁体中的放射性污染降低到最低水平。即使如此，由温度变化引起的微弱电流仍会让放射性污染从探测器外部向内部扩散。的研究人员通过精细的温度控制减轻了这种影响，从而实现了对碳、氮和氧循环中中微子的检测。
Borexino中微子探测器，包裹隔热材料，精细控制探测器温度。(资料来源：北方合作组织)
最后，经过十几年的测量，Borexino终于从碳、氮、氧循环中发现了中微子。安德烈波卡尔是地球表面每一平方厘米，每秒钟大约有7亿个来自太阳碳氮氧循环的中微子飞过。大约占太阳中微子总数的1%，和标准太阳模型预测的一致。,的一名博雷希诺科学家，他说：“探测到太阳燃烧1%的碳、氮和氧增强了我们对当前太阳模型的信心。”这一成果发表在最新一期的《自然》杂志上。
直达太阳核心
这个结果提供了一个解决太阳核心元素组成之谜的机会。在天文学中，比氦重的元素被称为金属。恒星核心的金属丰度会影响碳、氮、氧的循环速率，进而影响恒星的温度和密度特性，从而影响恒星的演化和外层的不透明度。
太阳的金属性和不透明度会影响声音在太阳中的速度。几十年来，日震学测量和太阳标准模型在预测太阳声速方面是一致的，这使得人们对模型充满信心。但是最近对太阳的光谱测量表明，外层的不透明度明显低于预期，这与日震学的数据不同。对于CNO循环中微子的精确测量，为这一研究提供了独立的第三种测量方式，可以进一步揭示恒星的演化过程。
目前的数据不足以支持对太阳核心元素的探测，但至少提供了一种实现这一目标的途径。未来的实验将找到新的方法来去除放射性污染引起的背景噪声，从而进一步提高Borexino的精度。同时，博列西诺合作组织的巨大成就使我们对太阳和大质量恒星的形成过程有了更多的了解，这可能促使我们制定一个在这一领域要实现的目标。
参考
https://www.nature.com/articles/nature13702
https://www . eurekalert . org/pub _ releases/2020-11/tud-UTP 112520 . PHP
https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_neutrino_problem
编辑：dogcraft