太陽中心有個(gè)“洞”

赤緯

最近，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，太陽的中心有約1500倍地球質(zhì)量的物質(zhì)消失了，它們完全找不到了，在那里出現(xiàn)了一個(gè)“洞”。我們之前的理論和觀測都認(rèn)為那里不應(yīng)該有“洞”，但在最近，通過對太陽更加仔細(xì)地分析后發(fā)現(xiàn)，那里確實(shí)有個(gè)“洞”。這可是一個(gè)很大的麻煩，它動(dòng)搖了我們對太陽的基本理解。

太陽之所以重要，不僅僅是因?yàn)樗鼮榈厍蛏系纳峁┝斯夂蜔幔€是我們理解更廣闊宇宙的鑰匙。我們把太陽當(dāng)作一個(gè)重要的參考，借此可以分析出其他恒星的亮度、年齡等信息，還可以分析出它們周圍是否有類似地球的行星。如果我們對太陽理解錯(cuò)了，那么對所有的恒星理解都錯(cuò)了。

問題是怎么產(chǎn)生的呢？要想理解這個(gè)，我們首先來了解一下我們是如何知道太陽內(nèi)部組成的。

借助于日震和光譜

要弄清楚太陽內(nèi)部并不那么容易，畢竟，我們不能去那里收集個(gè)樣品。現(xiàn)在，主要有兩種方法來調(diào)查太陽內(nèi)部。一種方法是研究日震，即通過觀測太陽表面的振動(dòng)來分析。振動(dòng)通常是太陽內(nèi)部能量向外釋放引起的，而太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及它的成分對這些能量如何釋放起到了決定性的作用。天文學(xué)家可以借助太陽探測器來對日震進(jìn)行分析，進(jìn)而獲得太陽內(nèi)部的信息。

另一種方法則是研究太陽的光譜。天文學(xué)家會(huì)借助高科技的棱鏡得到太陽的光譜，并在光譜中分析各種化學(xué)元素在光譜中留下的獨(dú)特譜線，進(jìn)而分析出太陽內(nèi)部的組成。

多年來，日震學(xué)家和光譜學(xué)家所得到的分析結(jié)果是完全相同的，他們都認(rèn)為，太陽是由一個(gè)巨大而密集的球體，大約在46億年前形成的，主要是氫和氦構(gòu)成的，除此之外，太陽還有其他更重的元素，包括氧、碳、鐵、氖、氮、硅、鎂和硫等。為了簡單起見，天文學(xué)家把所有這些重元素都稱之為“金屬”。它們分散在太陽內(nèi)部，其質(zhì)量略低于太陽總質(zhì)量的2%。盡管它們的含量不多，但這些金屬對太陽的各種活動(dòng)都起到了很重要的影響。

消失的金屬

在上個(gè)世紀(jì)90年代末期，瑞典天文學(xué)家馬丁·阿斯普倫德首先注意到，這幅太陽的畫面并不完全正確。他當(dāng)時(shí)在研究太陽外層物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，這個(gè)研究的必要步驟是對太陽光譜進(jìn)行更加仔細(xì)的分析。

當(dāng)時(shí)，光譜學(xué)家研究恒星表面時(shí)，采用的數(shù)學(xué)模型是相當(dāng)簡單的，他們只把太陽表面當(dāng)成一個(gè)一維的圓圈而已。但事實(shí)上，太陽的表面是三維的：它不只是一個(gè)球體的二維表面，就像地殼一樣，它還有厚度。阿斯普倫德利用超級計(jì)算機(jī)建了太陽的模型，把將太陽的表面積和厚度都考慮進(jìn)去。在2009年，他給出了一個(gè)令人吃驚的結(jié)果：太陽中約1/4的金屬都無法再找到了，消失的金屬質(zhì)量大約是地球質(zhì)量的1500倍。

如果阿斯普倫德是對的，這意味著那些日震學(xué)家所做的一切都是錯(cuò)的。但這怎么可能呢？所以，當(dāng)時(shí)其他天文學(xué)家都認(rèn)為，是阿斯普倫德弄錯(cuò)了。然而，沒有人能夠給出合理的證據(jù)來否定他的研究結(jié)果。

隨著時(shí)間的流逝，阿斯普倫德的研究結(jié)果越來越受到同行的關(guān)注，他的論文已經(jīng)成為天文學(xué)領(lǐng)域中引用次數(shù)最多的論文之一。畢竟，如果他的結(jié)果是對的話，那么會(huì)對于太陽以及其他恒星的理解有很大的影響。

那么，該怎么解釋他的結(jié)果呢？

如果能級可以改變

面對阿斯普倫德的研究結(jié)果，一些天文學(xué)家開始質(zhì)疑那些我們長期信以為真的假設(shè)。以色列耶路撒冷希伯來大學(xué)的物理學(xué)家多倫·蓋茲特就是其中的一位。他認(rèn)為，阿斯普倫德的結(jié)果可能是正確的，但那些缺失的金屬并不是真的消失了，它們?nèi)匀淮嬖冢徊贿^它們沒有像預(yù)期的那樣表現(xiàn)出來。

蓋茲特表示，問題的關(guān)鍵在于原子的能級。我們知道，原子是由原子核以及圍繞在原子核周圍的電子構(gòu)成的，而原子內(nèi)的電子只能在特定的、分立的軌道上運(yùn)動(dòng)，各個(gè)軌道上的電子具有分立的能量，這些能量值即為能級。電子軌道離原子核越遠(yuǎn)，其能級就越高。

電子可以通過吸收或輻射出光子，從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)更高或更低的軌道上，但吸收或輻射出的光子的能量，必要精確等于兩個(gè)能級間的能量差值。光子的能量由它的頻率來決定，所以，一種元素的原子可以吸收或輻射出特定頻率的光子。而當(dāng)天文學(xué)家通過光譜分析太陽光時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一些頻率上光的強(qiáng)度會(huì)減弱，在光譜中上留下許多譜線，這其實(shí)就是太陽內(nèi)的原子吸收了特定頻率光子造成的。天文學(xué)家可以根據(jù)這些譜線，分析出是哪種原子吸收了這些光子，進(jìn)而知道太陽的化學(xué)元素組成。

通常來說，原子內(nèi)各個(gè)電子軌道的能級是不會(huì)發(fā)生變化的。但在太陽核心的極高溫度和壓強(qiáng)下，原子的熱運(yùn)動(dòng)比正常情況下更劇烈。這種劇烈的熱運(yùn)動(dòng)會(huì)使得原子中一些軌道的能級發(fā)生改變，這就改變了原子所能吸收（或輻射）的光子能量，使得一些元素在光譜上留下的譜線變得跟正常情況不一樣。蓋茲特認(rèn)為，如果忽視這種效應(yīng)，那么通過光譜分析太陽內(nèi)部組成時(shí)，就會(huì)得到錯(cuò)誤的結(jié)論。

要想驗(yàn)證蓋茲特的理論，唯一方法是觀察在與太陽內(nèi)部類似的溫度和壓強(qiáng)下與光子相互作用的原子。一個(gè)看似不可能的任務(wù)，但是對于美國桑地亞國家實(shí)驗(yàn)室而言，這不是什么問題。該實(shí)驗(yàn)室的Z脈沖功率設(shè)施（簡稱Z機(jī)），可以讓樣品在短時(shí)間內(nèi)暴露于極端溫度和壓強(qiáng)的環(huán)境中。在2015年公布的一系列實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家把一塊只有4毫米厚的鐵片暴露在Z機(jī)內(nèi)，并讓Z機(jī)產(chǎn)生類似于太陽內(nèi)部的溫度和壓強(qiáng)。結(jié)果顯示，在這種極端條件下，樣品內(nèi)鐵原子的電子軌道能級確實(shí)發(fā)生了變化。

但是，要想得到強(qiáng)有力的證據(jù)，需要在各種極端條件下來測試太陽內(nèi)每種金屬原子能級的變化。也就是說，我們還需要進(jìn)行很多次的實(shí)驗(yàn)，而目前還很難說蓋茲特的理論就能解決問題。

用暗物質(zhì)來填補(bǔ)

如果不是能級的變化引起的，也許另一種物質(zhì)可以填補(bǔ)太陽中的“洞”。畢竟，利用光譜來研究太陽，只能檢測產(chǎn)生或吸收輻射的物質(zhì)，而占宇宙約27%的暗物質(zhì)，既不能產(chǎn)生也不能吸收輻射，這個(gè)屬性使得暗物質(zhì)成為填補(bǔ)太陽中的“洞”的合理候選者。

讓約1500倍地球質(zhì)量的暗物質(zhì)積聚在太陽中心，并不是一件不可思議的事情。像所有其他形式的物質(zhì)一樣，暗物質(zhì)也受到引力的作用。也許，當(dāng)我們的星系在太空中緩慢旅行時(shí)，我們碰到的任何暗物質(zhì)都可能被吸引到太陽的中心。一些天文學(xué)家認(rèn)為，被暗物質(zhì)填補(bǔ)之后，其結(jié)果就有可能與通過日震學(xué)得到的結(jié)果相匹配。

不過，許多天文學(xué)家對引入暗物質(zhì)來解釋太陽缺失的金屬仍持懷疑態(tài)度。也許，解決爭議的最簡單方法，就是采用一種全新的方法，對太陽內(nèi)部進(jìn)行一次測量。

借助于中微子

一種新的方法是，通過觀測中微子來分析太陽內(nèi)部。中微子是一種質(zhì)量很小的粒子，太陽中微子主要來源于其內(nèi)部發(fā)生的核聚變。

太陽產(chǎn)生的中微子數(shù)量非常多，地球面向太陽的區(qū)域每秒在每平方厘米上會(huì)有約650億個(gè)來自太陽的中微子以接近光速的速度穿過。絕大多數(shù)中微子是太陽外層氫元素聚變時(shí)產(chǎn)生的，不過，100個(gè)中微子中大約有一個(gè)是碳氮氧循環(huán)產(chǎn)生的。其中，碳氮氧循環(huán)是一種有碳、氮和氧元素參與的聚變過程，一般發(fā)生在太陽核心處。通過測量這種中微子抵達(dá)地球某一區(qū)域的數(shù)量，我們就可以推算出太陽產(chǎn)生這種中微子的總量，并以此推測出太陽中金屬的含量。

這是一種與日震學(xué)、光譜學(xué)不同的探測方法，也許它能夠真正解決問題。不過，中微子本身就難以被檢測到，而且這里還有個(gè)大麻煩——碳氮氧循環(huán)產(chǎn)生的中微子與普通的中微子看起來非常相似，這得需要一種靈敏度更高的可收集更多中微子的探測器，才能有機(jī)會(huì)分辨出碳氮氧循環(huán)產(chǎn)生的中微子。

目前，我們最大的希望寄托于在一臺位于加拿大的名為SNO+的新型中微子探測器上，它裝備一個(gè)巨大的液體儲罐，當(dāng)中微子通過時(shí)，這個(gè)液體儲罐就會(huì)發(fā)出藍(lán)光。SNO+比其他探測器更大，埋在地下更深，能隔離更多的其他粒子，并能夠探測到更多的中微子。

當(dāng)SNO+正式運(yùn)行時(shí)，它就能借助探測中微子窺見太陽的核心。也許，該探測器可以證實(shí)阿斯普倫德的結(jié)論，或發(fā)現(xiàn)太陽那個(gè)“洞”根本不存在，或發(fā)現(xiàn)太陽中的“洞”可能比預(yù)想的更大。

究竟結(jié)果如何，讓我們拭目以待。