北京時間9月13日消息，據國外媒體報道，就像所有處於壯年時期的恒星一樣，太陽主要由氫氦構成。氫原子兩兩聚合為氦原子，並在這一過程中釋放出大量能量。但真正決定了太陽命運的，則是其中所含的微量重元素，即我們所說的金屬元素。
瑞典斯德哥爾摩大學物理學家桑尼•瓦格諾茲（Sunny Vagnozzi）指出：“哪怕金屬含量僅占一小部分，也足以徹底改變恒星的行為。”瓦格諾茲一直在研究太陽的“金屬豐度”（metallicity）。恒星的金屬豐度越高，就越不透明（因為金屬能夠吸收輻射），而恒星的透明度反過來又與其大小、溫度、亮度、壽命和其它關鍵性質有關。“恒星的金屬豐度基本上決定了這顆恒星會如何死去。”瓦格諾茲表示。
但太陽的金屬豐度除了能幫助我們了解太陽歷史外，還可以作為一種衡量標準，幫助科學家調整對其它恒星金屬豐度的測量方式，從而有助於我們了解其它恒星、星系及各類天體的年齡、溫度等特性。“如果對太陽這根‘標桿’的認識有變，那麽我們對宇宙的認識也會自動隨之改變。”澳大利亞國立大學天體物理學家馬丁•阿斯普朗德（Martin Asplund）指出，“因此準確了解太陽的化學元素構成可謂極其重要。”
然而，我們對太陽金屬豐度的測量越精確，產生的新問題就越多。太陽金屬豐度之謎又叫太陽豐度、太陽組成、或者太陽模型問題。天文學家至今無法解決這些問題，說明他們對太陽的認識、乃至所有恒星的認識“都存在根本性錯誤”，瓦格諾茲指出，“這可不是件小事情。”
20年前，天文學家一度以為自己已經弄清了與太陽有關的種種問題。通過直接和間接手段測得的太陽金屬豐度均為1.8%左右，因此天文學家認為，他們不僅認清了太陽這根“標桿”，還弄清了太陽的運作原理。但自21世紀初以來，隨著對陽光的光譜測量變得越來越精確，新的測量結果顯示，太陽的金屬豐度遠低於這一水平，只有1.3%。而與此同時，通過測量不同頻率的聲波在太陽內部的傳播規律、對太陽金屬豐度進行間接推斷的日震學測量法又顯示太陽的金屬豐度仍為1.8%
但如果天文學家的“標準太陽模型”理論正確無誤，光譜測量法和日震學測量法得出的結果應該相同才對。也就是說，天文學家應當能用日震學的測量結果，計算出太陽內部某一重要界層的深度。就在這一界層處，對流的影響勝過了輻射。根據相關等式，該界層深度與太陽的不透明度有關，因而也與太陽金屬豐度有關。通過這種方式計算出的金屬豐度值應該與通過光譜測量直接得出的結果相同。然而事實並非如此。
“這個問題不僅屬於太陽物理的範疇，還牽涉到整個天文學。”阿斯普朗德表示，正是他帶領的團隊開展了這些精確的光譜測量，“要麽是天文學家不明白如何用光譜分析法測量恒星的元素含量，要麽是我們對恒星的內部情況、以及它們的振動方式不夠了解。無論是哪種原因，都造成了嚴重後果，因為恒星是我們了解宇宙的根本途徑，恒星天體物理學奠定了現代天文學和宇宙學的大部分基礎。”
到底是哪裏出了錯呢？天文學家圍繞這一問題，展開了長達數年的討論，甚至還有人猜測，這可能與太陽中的暗物質有關。據耶魯大學太陽天體物理學家薩爾巴妮•巴蘇（Sarbani Basu）介紹，這些討論“有點兒陷入了僵局”。不過希望還是有的。就在最近，科學家從太陽中微子中發現了一些與太陽金屬豐度有關的微弱線索。太陽中微子是一種由太陽發出的、轉瞬即逝的粒子。太陽中發生的不同核聚變反應會產生能量不同的太陽中微子，因此這些粒子攜帶的信息可以反映出太陽的元素組成。在今年六月於德國海德堡舉行的一次會議上，意大利格蘭薩索國家實驗室的Borexino實驗團隊報告稱，他們對太陽中微子的探測結果更傾向於太陽金屬豐度為1.8%的估測值。
假如這個估測值是正確的，那麽阿斯普朗德等人開展的光譜測量究竟出了什麽問題呢？“假如問題出在光譜分析法上，那我們在分析其它恒星時也可能會犯類似的錯誤。”阿斯普朗德表示，而這將對科學家對恒星和星系中化學元素演變的理解產生重大影響。
但阿斯普朗德仍堅持自己采用光譜分析法估測的1.3%的結論是正確的。他援引了2015年《自然》期刊上的一篇研究，提出在太陽內核的高壓環境中，金屬對不透明度的影響也許比我們之前認為的還要大。阿斯普朗德稱，如果在標準太陽模型中對這一點進行糾正，采用日震學和中微子分析估測的金屬豐度就能降低到1.3%了。
今後幾年，Borexino團隊計劃對“碳-氮-氧”核聚變產生的微量太陽中微子展開探測。在該核聚變反應中，碳、氮、氧原子作為催化劑，促使氫原子聚變為氦原子。“‘碳-氮-氧’中微子受金屬豐度的影響很大，因此對這些中微子的測量將起到決定性的作用。”美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校物理學家、Borexino團隊成員安德裏亞•波卡爾（Andrea Pocar）表示。
假如太陽的金屬豐度真的只有1.3%，這就意味著標準太陽模型的確弄錯了太陽的不透明度。“這會對天文學的方方面面產生巨大沖擊。”阿斯普朗德表示，“因為我們所做的一切研究工作都需要以對恒星演化的準確認識為基礎。”對恒星和星系年齡的估測或許要做出10至15%的調整。不幸的是，太陽這種金屬豐度較低的恒星消耗燃料的速度更快，因此太陽壽命可能會比我們之前的預期再縮短10億年。
Tags:
文章來源：http://tech.sina.com.cn/