太阳的中心有个洞吗


文/谢 懿

在太阳的核心可能有一个洞。根据科学家以往对太阳的认识,太阳正中心有质量约为地球1500倍的物质,但在对阳光中所蕴涵的数据进行解读时,这些物质却不见踪迹。
这动摇了我们对太阳的认识,物理学家正在努力搞清楚什么地方出了问题。太阳不仅仅为人类提供了必需的光和热,它也是我们认识更广阔宇宙的关键。如果对太阳的认知出了问题,那将严重动摇天文学家对宇宙的认识。
“丢”了一块
要弄清楚太阳里面有什么并不容易。天文学家主要用两种方法对其进行研究。日震学家观测太阳表面的声波振动,它们是太阳内部巨大的能量正在被释放的外在证据。通过空间探测器观测到的结果,天文学家可以根据这些能量的特性推测太阳的内部结构和成分。天体物理学家通过阳光来研究太阳:使用尖端的棱镜把太阳光分解,从中了解组成太阳的元素的特有信息。
多年来,这两种方法给出了一致的结果:太阳是一个巨大而稠密的物质球,绝大部分是氢和氦,这些物质大约在46亿年前聚集到一起形成了太阳和太阳系。在这一混合物中还含有少量由质量更大的恒星在爆炸时所带来的较重的元素,如碳、氧、氮、镁、铁和硫等。它们散布于整个太阳内部,占据了总质量的不到2%。尽管占比少,但这些重元素扮演了关键的角色,把能量从核心输送到沸腾的表层。
20世纪90年代末,当时在丹麦哥本哈根的年轻科学家阿斯普隆德第一次发现这一认识并不准确。他正在研究恒星外层的运动,当时光谱分析中所使用的恒星表面模型较为简单。事实上,它们本质上是一维的,只能表述理想太阳表面的特征,而不具有宽度和高度,但太阳的表面无疑是三维的。阿斯普隆德使用一台超级计算机,建立了一个纳入高度和宽度的模型。到2009年,他取得了惊人的结果:有四分之一本该在太阳中的重元素不见了。它们消失了。
他的结果与日震学家所观测到的截然相反。假设阿斯普隆德是正确的,那日震学就无法再解释太阳的行为了,此前的理论肯定在什么地方出了问题。“很多人都怀疑我的结果,” 阿斯普隆德说,“我很不受欢迎。”
为了进行独立的交叉验证,2017年年初,一个科学家小组研究了太阳风(从太阳上不断飞出的粒子流)的组成。该小组没有发现任何能表明物质缺失的迹象。相反,他们发现重元素的总量与日震学所预言的基本一致。
你可能以为问题就这样解决了,实则不然。太阳内部的空缺是被填补上了,但这项研究所得到的各种元素间的比例都是错误的,有别于其他所有的结果,因此并不能被视为明确的解决方案。
到目前为止,没有人能找到一种方法来推翻阿斯普隆德的结论。他的研究结果被越来越多人接受,在问世后的10年里,他有关太阳成分的研究论文迅速成为天文学中引用次数最多的论文之一。

增加不透明度
有物理学家提出:也许阿斯普隆德所发现的重元素缺失是正确的,但这些元素并非不存在,而是具有一些意料之外的特性。
其中的关键在于不透明度,它决定有多少能量可以穿过某种特定的物质。例如,在太阳内部神秘消失的重元素就比氢和氦具有更高的不透明度。为了让阿斯普隆德论文中所预言的物质缺失数量与日震学数据相匹配,就必须加大太阳内部剩余元素的不透明度。这意味着,它们必须要吸收比以前所认为的更多的光子。
原子核由质子和中子构成,电子在精确定义的能级轨道上绕原子核运动。就像一个只接收特定面值纸币或硬币的自动售货机,要想让原子发生变化就需要为其注入特定数目的能量。如果一个入射的光子有足够的能量可以使得电子在能级间跃迁,它通常就会被吸收并导致原子具有不透明度。反之,它就可以直接穿过原子。
在太阳核心的极端温度和压强下,原子的振荡会比正常情况下强得多。这一运动会使得一些能级之间的间隙增大,另一些能级之间的间隙减小。这就扩大了任何一个原子所能吸收光子的范围,从而提供了一种增大不透明度的机制。
但这仍是未知的物理学效应。测量不透明度的唯一方法是观测在与太阳的温度和压强相似的条件下原子与光子之间是如何相互作用的。美国桑迪亚国家实验室可提供这样的条件。在那里,物质可以在极为短暂的时间里被暴露在地球上最高的温度和压强之下。
在2015年发表的一项实验结果中,一块直径仅4毫米的铁片被瞬间暴露在模拟太阳内部的高能之下。如此高的温度和压强足以让铁原子剧烈振荡。
实验发现,虽然并不足以解释物质的缺失,但在这一情况下,铁确实会具有比此前所认为的更高的不透明度。这是一个具有开创性意义的测量结果。

潜在候选者
当然,上述实验仅代表了太阳内部某个特定地点所具有的条件。把太阳内部每一个地方都重现出来是不可能的,因为有太多的元素和太多不同的温度。所以,现在要靠理论物理学家来搞清楚,其他重元素的不透明度是否也会增大。如果答案是否定的,那么另一种物质兴许就要对缺失的元素负责了。
光谱只能探测可以吸收或发射辐射的物质,但构成已知宇宙约27%的暗物质却既不能吸收也不能发射辐射。有一个科学家小组提出,暗物质的这一特质让它成为填补太阳中心“空洞”的潜在候选者。
让数千万亿吨的暗物质积聚在太阳的中心并没有想象的那么困难。和所有其他形式的物质一样,暗物质也会受到引力作用。银河系在太空中运动时,碰到的任何暗物质都可能被吸引到太阳的中心。

决定性的证据
暗物质至少可以在一定程度上解决问题,但是争议仍然存在。部分原因是,它质疑了业已被很好地认识了的太阳基本特性。解决争议的最简单方法是对太阳的内部进行独立的测量,其中的关键角色是中微子。
中微子是在太阳内部所发生的聚变反应中产生的轻质粒子。在地球上1平方厘米的区域上,每秒约有650亿个中微子以接近光速穿过。它们绝大多数是在氢核与太阳外层发生碰撞时所产生的,其中约有百分之一是在由较重的碳、氮和氧原子所参与的核聚变过程中所形成的。通过在地球上的某一地点测量碳氮氧核聚变过程产生的中微子的数量,就可以计算出从太阳中流出的中微子的确切数目,由此可以知道它们是由多少重元素创造的。
不过,迄今仍没有确切探测到任何一个碳氮氧反应生成的中微子。事实上,我们可能已经发现了它们,却没有意识到。麻烦的是,它们看上去和其他种类的中微子(例如在氢聚变过程中产生的中微子)非常相似,要识别出它们特有的微小信号需要探测大量的中微子。
眼下最有希望的是位于加拿大的一个探测器,它配备了一个巨大的水箱来探测中微子穿过时所发出的零星蓝光。它体积较大,也位于地下更深处,可以过滤更多的噪声,有望探测到更多的中微子。
中微子可能证明阿斯普隆德的结论是正确的;当然,也可能证明他是错误的,太阳“空洞”根本就不存在。它们还可能会进一步加剧萦绕在太阳之上的纷繁局面:太阳内部的“空洞”兴许将会变得更大。
(本文作者谢懿为天文学博士,现供职于南京大学天文与空间科学学院)

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