天文学家首次观测到太阳碳氮氧循环核融合的中微子

像所有恒星一样,太阳由氢融合为更重的元素来提供能量。天文学家对于恒星核融合现象的理解大多来自于理论模型,但是对于太阳,还有另一个观察方式:太阳核心所产生的中微子。每当原子发生核融合时,不仅会产生高能的光,还会产生中微子。中微子能以近光速从太阳核心飞出,早在1960年代被观测到。根据理论,太阳的核融合主要形式应该是质子-质子链反应(pp链),是恒星最容易产生的反应方式。但更热的大恒星,更强大的碳氮氧循环反应CNO循环)是其主要的能量来源。

中微子探测器
中微子探测器

在过去的十年中,中微子探测器越来越有效率,现代探测器不仅可以探测中微子的能量,还可以探测其味(flavor)。我们现在知道,从早期实验所检测到的太阳中微子不是来自pp链的中微子,而是如硼衰变等次级反应,它们会产生更高能量易于检测的中微子。在2014年,一个小组发现了由pp链直接产生的低能中微子,他们的观察证实了99%太阳的能量是由pp链所产生。

尽管pp链主导着太阳的核融合,但我们的恒星足够大,以致会发生少许CNO循环,且应该是太阳额外1%的能量来源。但是由于CNO循环的中微子很少,不易检测。但是最近,一个团队成功地观察到。

检测CNO循环的中微子,最大挑战是其信号被掩埋在地面的中微子噪声中。地球上不会自然发生核融合,但地面岩石低量的放射性衰变会触发中微子探测器。因此,该团队创建一个复杂的分析过程,滤除误报的中微子信号。他们研究证实,CNO循环比例与理论相同。虽然CNO循环在太阳的作用很小,但对大质量恒星的演化至关重要。这项工作有助于了解大质量恒星,与重元素的起源。相关论文发表在Nature期刊。

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