太阳发光近50亿年，其源源不断的能量是哪儿来的？

出品|网易科学人栏目组 木秀林

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10月29日消息，据美国媒体报道，太阳持续不断地发光，是由内部连续核反应产生的，在这些核反应中，4个质子聚合生成1个氦-4原子核，并伴随释放出2个电子中微子和大量能量。科学家建立的模型暗示，太阳释放出的核能99%来自3个反应序列，统称质子-质子链反应，由2个质子聚合引发。

Borexino实验室发表论文称，根据对2000多天收集的数据进行分析，科学家首次完整测量了源自这3个序列的中微子通量。这些分析结果帮助人类更好地了解太阳发光的方式和原因。中微子与其他物质的相互作用力很弱，因此可不受阻碍地从太阳内部逃逸出来，经过8分钟旅行后到达地球。从太阳中微子中，可以直接了解太阳内部核反应情况。

Borexino试验检测了这些中微子，科学家用一种称为荧光剂的有机液体作为检测剂，与中微子发生反应，测量由此产生的光量以测定中微子携带的能量。与所有其他太阳中微子试验不同，Borexino可测量高能和低能中微子携带的能量，从而使利用中微子光谱学技术研究太阳内部结构成为可能。

电子中微子在达到地球前，可变为2种其他类型的中微子，即Tau和Muon中微子，这种现象被称为中微子振荡。相比Tau和Muon中微子，Borexino的试验对电子中微子更为敏感，因此在测量的中微子通量用于计算太阳产生的通量时，需要考虑中微子振荡。考虑到这点，科学家利用测量的中微子通量，计算出太阳内部核反应产生的总能量。

科学家们发现，测量到的光子量与中微子通量相同，因此说明太阳的能量来源是核聚变。新发现也对中微子物理学带来有趣的影响。通过将这些数据与标准太阳模型的预测结合起来，合作者确定了质子-质子链反应产生的中微子存续几率的数量。新研究成果也为解释太阳物理学中长期存在的一个问题提供了线索，这个问题是由于无法很好地确立太阳化学构成而引发的。

最近对太阳金属丰度进行的完整光谱测定产生的值，比以前的光谱分析结果低了35%。有趣的是，当使用更低值金属丰度构建太阳内部数量模型时，模拟的情况与已知的太阳内部结构不一致。但使用以前的金属丰度值，模拟情况非常吻合。然而，Borexino试验测定的质子-质子链反应3个不同序列的结果，可用于测定太阳内部的温度。Borexino的发现表明，内部温度与使用高金属丰度的模型所预测结果一致。

不管怎样，Borexino试验可能在未来提供明确的答案。太阳能的1%是通过碳氮氧循环的核反应链所产生，这些循环受碳、氮和氧的催化作用，因此它们的效率完全依靠太阳的金属丰度。如果与碳氮氧循环有关的中微子通量可被测量，那么这些元素在太阳内部的数量也可测定。

但目前这些测量很困难，因为铋210的发射性衰变产生了背景辐射。通过改进装了液体荧光剂的容器后可解决这个问题。检测碳氮氧循环的中微子不仅可测定太阳的金属丰度，还可直接证明自然界存在碳氮氧循环。这很重要，因为碳氮氧循环被认为是其他恒星产生比太阳多很多的能量的主要物理过程。

困扰天体物理学的另一个大问题是，恒星能量的产生和消失是否存在非标准物理过程。如果存在，那么太阳的核能产生速度与亮度（太阳表面以光子形式辐射的能量总和）之间存在不平衡。太阳核反应产生的能量测定精度需要提高10倍至1%，以进行非标准粒子物理学试验。Borexino还达不到这种精度，但未来的大规模中微子和暗物质探测器可做到。