在地底深處一窺太陽發光之謎

太陽持續發光發熱的核反應機制早在將近一百年前就有了,其中一種「質子-質子鏈」很早就有觀測證據,另一種「碳氮氧循環」則一直到了現在才終於被證實。完成這項成就的是位於義大利的「波列西諾微中子探測器」。微中子是一種很難與其它物質起反應的粒子,是太陽內部的核融合的生成物之一,地球上的我們有機會利用太陽微中子來了解太陽內部的性質。微中子探測非常困難,為了要盡可能隔絕掉雜訊,波列西諾探測器深埋在地底下、包在不鏽鋼殼裡面。這項研究成果證實了一個將近一百年的理論,也讓我們對太陽、恆星有更進一步的理解。

撰文|許世穎

●太陽內部的能量來源:「質子-質子鏈」與「碳氮氧循環」

恆星能夠產生能量、發光發熱是因為內部的核融合反應,主要的反應是將4個氫核融合為氦。

氫有1顆核子(1顆質子)、氦則有4顆核子(2顆質子、2顆中子),因此這個反應主要就是從1顆核子逐步累積成4顆的過程。可以分成「質子-質子鏈 (p-p chain)」與「碳氮氧循環 (CNO cycle)」兩大類。舉個生活中的例子:就像是從台北要到高雄,可以自行開車、也可以搭客運、搭火車。雖然同樣都能抵達目的地,依據當時的狀態不同,選擇的方法也不一定相同。自己開車雖然方便,但是逢年過節的話,可能會塞車塞很久,不想要在路上耗費心神的人可能就會選擇大眾運輸。

恆星內部的反應也是一樣的,同一時間雖很多氫核融合成氦,有一些會是是「質子-質子鏈」反應,也有一些會是「碳氮氧循環」反應。數量比例會跟當下恆星的狀態(如溫度、壓力等)有關。

「質子-質子鏈」反應有幾種不同的分支,佔大多數的途徑是從2顆質子相撞結合 (2顆核子)開始,接著再撞擊捕獲一顆質子形成氦的同位素 (3顆核子)。接下來讓兩個氦同位素相撞、放出2顆質子後,就會生成具有4顆核子的氦。這個「質子-質子鏈」的機制大約要在溫度4百萬度左右才會開始啟動,低質量恆星當中的核反應大部分都由「質子-質子鏈」來主導,我們的太陽主要就是靠這個反應在產生能量的 [2]。

「碳氮氧循環」又稱為「貝斯-魏茨澤克-循環(Bethe-Weizsäcker-cycle)」。整個過程由碳捕獲質子2次、生成氮開始,再融合1次質子生成氧,最後再融合一次質子後,就可以分裂成1個碳以及1個氦。整個淨反應一樣是4個氫變成1個氦,碳、氮、氧的功能是加速這個反應、作為這個反應的催化劑,反應前後的數量都是一樣的。「碳氮氧循環 」需要的溫度比「質子-質子鏈」更高,要到1千5百萬度左右才會啟動,這個反應轉換能量的速度非常快,恆星內部溫度如果到了1千7百萬度以上,「碳氮氧循環 」就會成為恆星主要的能量釋放來源 [3]。

圖1:(左)「質子-質子鏈 (p-p chain)」與(右)「碳氮氧循環 (CNO cycle)」的反應示意圖。圖片來源:Borb [2]; Sarang  [3]

●波列西諾微中子探測器與「碳氮氧循環」的觀測

恆星內部核融合的理論將近一百年前就已經有了,但是要怎麼實驗證明太陽內部真的有這些反應呢?我們當然不可能真的看到核反應的過程,但是我們可以觀察這些反應的其他產物。這些核反應會放出伽瑪射線以及微中子,微中子不帶電,而且幾乎不與其他的物質起反應,因此在經由核融合反應產生之後,可以從太陽的內部跑出來,地球上的我們也就有機會藉由捕捉這些「太陽微中子」來證實太陽內部真的有這些核反應。

微中子本身的量測非常不容易。前面說到微中子幾乎不與其他物質起反應,這就代表它們也很難被地球上的偵測器觀測到,需要非常精密的儀器才能夠將各種雜訊過濾掉。就算我們觀測到了太陽微中子,我們也不太可能真的區分每一個太陽微中子到底是從哪一個反應產生的。我們做的是量測微中子的能譜 (不同能量的微中子有多少流量),接著比較實驗結果和各種理論模型,來找出哪些模型是合理的。這件事情困難的地方在於:太陽內部生成微中子的方法不是只有氫燃燒成氦而已,還有其他的核反應,模型愈多、比較起來就愈困難。另外也需要非常大量的統計數據,才能將太陽微中子的能量分布盡可能量測好。

藉由對太陽的觀測,人們很早就證實了太陽內部「質子-質子鏈」反應的存在。然而「碳氮氧循環」卻一直沒有辦法觀測到。根據理論模型的推估,「碳氮氧循環」只佔了太陽發光能量的百分之一左右,這也增加了偵測的困難。而終於在2020年末,義大利的波列西諾微中子探測器(Borexino Neutrino Detector)的研究團隊終於觀測找到了「碳氮氧循環」所生成的微中子!這項結果刊登於 Nature 期刊當中 [4]。

圖2:波列西諾微中子探測器透視模型。最外層是不鏽鋼外殼。中間是不鏽鋼球殼,上面像刺一樣的是光電倍增管。最裡面透明那層是尼龍,裡面裝的是液態閃爍器。圖片來源:[5]

波列西諾微中子探測器主要針對的是低能量的微中子。它被建造在地底深處,最外層是用不鏽鋼製作的,裡面則灌滿了水。水中放了一顆巨大的不鏽鋼球,這些設計都是為了要隔絕來自外界的雜訊。不鏽鋼球裡面放了用透明尼龍布包裝起來的液態的閃爍器(scintillator),如果有微中子通過閃爍器、並將內部電子散射出來的話,閃爍器就會放出微弱的光。不鏽鋼球殼上則放滿朝向內部的光電倍增管,可以將閃爍器發出的微弱光芒轉換成電的訊號、進入後端讓電腦來分析。這些資料能讓我們還原出一開始那顆微中子的能量(見圖2、圖3) [6] 。

圖3:波列西諾微中子探測器第二層不鏽鋼層內部的樣貌。腔壁上每一根「喇叭」都是光電倍增管。圖片來源: [5]

這項研究結果對太陽相關的研究來說意義重大,一方面證實了這個早在1937年就已經提出來了的理論,讓我們對太陽發光更加的理解。另一方面,由於「碳氮氧循環」的反應過程牽涉到碳、氮、氧等重元素,可以幫助我們了解太陽內部的化學性質、進而讓我們對恆星有更多的理解。微中子雖然偵測不易,但卻能從宇宙中帶給我們相當豐富的資訊。波列西諾微中子探測器還在不斷的升級、改良當中,期待它未來能帶給我們更多發現 [7]。

 

參考資料:

  1. [1] SciTechDaily / Understanding the “Hydrogen Burning” Power of Our Sun – Success After More Than 80 Years
  2. [2] wiki / Proton–proton chain reaction
  3. [3] wiki / CNO cycle
  4. [4] “Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun”, The Borexino Collaboration, Nature, 587, 577–582, (2020)
  5. [5] Borexino Experiment Official Web Site
  6. [6] wiki / Borexino
  7. [7] Science News / Physicists spot a new class of neutrinos from the sun

 

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