太陽中心有個「洞」
太陽中心有個「洞」
最近，天文學家發現，太陽的中心有約1500倍地球質量的物質消失了，它們完全找不到了，在那裡出現了一個「洞」。我們之前的理論和觀測都認為那裡不應該有「洞」，但在最近，通過對太陽更加仔細地分析後發現，那裡確實有個「洞」。這可是一個很大的麻煩，它動搖了我們對太陽的基本理解。
太陽之所以重要，不僅僅是因為它為地球上的生命提供了光和熱，它還是我們理解更廣闊宇宙的鑰匙。我們把太陽當作一個重要的參考，藉此可以分析出其他恆星的亮度、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了，那麼對所有的恆星理解都錯了。
問題是怎麼產生的呢?要想理解這個，我們首先來了解一下我們是如何知道太陽內部組成的。
藉助於日震和光譜
要弄清楚太陽內部並不那麼容易，畢竟，我們不能去那裡收集個樣品。現在，主要有兩種方法來調查太陽內部。一種方法是研究日震，即通過觀測太陽表面的振動來分析。振動通常是太陽內部能量向外釋放引起的，而太陽的內部結構以及它的成分對這些能量如何釋放起到了決定性的作用。天文學家可以藉助太陽探測器來對日震進行分析，進而獲得太陽內部的信息。
另一種方法則是研究太陽的光譜。天文學家會藉助高科技的稜鏡得到太陽的光譜，並在光譜中分析各種化學元素在光譜中留下的獨特譜線，進而分析出太陽內部的組成。
多年來，日震學家和光譜學家所得到的分析結果是完全相同的，他們都認為，太陽是由一個巨大而密集的球體，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，天文學家把所有這些重元素都稱之為「金屬」。它們分散在太陽內部，其質量略低於太陽總質量的2%。儘管它們的含量不多，但這些金屬對太陽的各種活動都起到了很重要的影響。
消失的金屬
在上個世紀90年代末期，瑞典天文學家馬丁·阿斯普倫德首先注意到，這幅太陽的畫面並不完全正確。他當時在研究太陽外層物質的運動，這個研究的必要步驟是對太陽光譜進行更加仔細的分析。
當時，光譜學家研究恆星表面時，採用的數學模型是相當簡單的，他們只把太陽表面當成一個一維的圓圈而已。但事實上，太陽的表面是三維的：它不只是一個球體的二維表面，就像地殼一樣，它還有厚度。阿斯普倫德利用超級計算機建了太陽的模型，把將太陽的表面積和厚度都考慮進去。在2009年，他給出了一個令人吃驚的結果：太陽中約1/4的金屬都無法再找到了，消失的金屬質量大約是地球質量的1500倍。
如果阿斯普倫德是對的，這意味著那些日震學家所做的一切都是錯的。但這怎麼可能呢?所以，當時其他天文學家都認為，是阿斯普倫德弄錯了。然而，沒有人能夠給出合理的證據來否定他的研究結果。
隨著時間的流逝，阿斯普倫德的研究結果越來越受到同行的關注，他的論文已經成為天文學領域中引用次數最多的論文之一。畢竟，如果他的結果是對的話，那麼會對於太陽以及其他恆星的理解有很大的影響。
那麼，該怎麼解釋他的結果呢?
如果能級可以改變
面對阿斯普倫德的研究結果，一些天文學家開始質疑那些我們長期信以為真的假設。以色列耶路撒冷希伯來大學的物理學家多倫·蓋茲特就是其中的一位。他認為，阿斯普倫德的結果可能是正確的，但那些缺失的金屬並不是真的消失了，它們仍然存在，只不過它們沒有像預期的那樣表現出來。
蓋茲特表示，問題的關鍵在於原子的能級。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成的，而原子內的電子只能在特定的、分立的軌道上運動，各個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，其能級就越高。
電子可以通過吸收或輻射出光子，從一個軌道躍遷到另一個更高或更低的軌道上，但吸收或輻射出的光子的能量，必要精確等於兩個能級間的能量差值。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。而當天文學家通過光譜分析太陽光時，會發現一些頻率上光的強度會減弱，在光譜中上留下許多譜線，這其實就是太陽內的原子吸收了特定頻率光子造成的。天文學家可以根據這些譜線，分析出是哪種原子吸收了這些光子，進而知道太陽的化學元素組成。
通常來說，原子內各個電子軌道的能級是不會發生變化的。但在太陽核心的極高溫度和壓強下，原子的熱運動比正常情況下更劇烈。這種劇烈的熱運動會使得原子中一些軌道的能級發生改變，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。蓋茲特認為，如果忽視這種效應，那麼通過光譜分析太陽內部組成時，就會得到錯誤的結論。
要想驗證蓋茲特的理論，唯一方法是觀察在與太陽內部類似的溫度和壓強下與光子相互作用的原子。一個看似不可能的任務，但是對於美國桑地亞國家實驗室而言，這不是什麼問題。該實驗室的Z脈衝功率設施(簡稱Z機)，可以讓樣品在短時間內暴露於極端溫度和壓強的環境中。在2015年公布的一系列實驗中，科學家把一塊只有4毫米厚的鐵片暴露在Z機內，並讓Z機產生類似於太陽內部的溫度和壓強。結果顯示，在這種極端條件下，樣品內鐵原子的電子軌道能級確實發生了變化。
但是，要想得到強有力的證據，需要在各種極端條件下來測試太陽內每種金屬原子能級的變化。也就是說，我們還需要進行很多次的實驗，而目前還很難說蓋茲特的理論就能解決問題。
用暗物質來填補
如果不是能級的變化引起的，也許另一種物質可以填補太陽中的「洞」。畢竟，利用光譜來研究太陽，只能檢測產生或吸收輻射的物質，而占宇宙約27%的暗物質，既不能產生也不能吸收輻射，這個屬性使得暗物質成為填補太陽中的「洞」的合理候選者。
讓約1500倍地球質量的暗物質積聚在太陽中心，並不是一件不可思議的事情。像所有其他形式的物質一樣，暗物質也受到引力的作用。也許，當我們的星系在太空中緩慢旅行時，我們碰到的任何暗物質都可能被吸引到太陽的中心。一些天文學家認為，被暗物質填補之後，其結果就有可能與通過日震學得到的結果相匹配。
不過，許多天文學家對引入暗物質來解釋太陽缺失的金屬仍持懷疑態度。也許，解決爭議的最簡單方法，就是採用一種全新的方法，對太陽內部進行一次測量。
藉助於中微子
一種新的方法是，通過觀測中微子來分析太陽內部。中微子是一種質量很小的粒子，太陽中微子主要來源於其內部發生的核聚變。
太陽產生的中微子數量非常多，地球面向太陽的區域每秒在每平方厘米上會有約650億個來自太陽的中微子以接近光速的速度穿過。絕大多數中微子是太陽外層氫元素聚變時產生的，不過，100個中微子中大約有一個是碳氮氧循環產生的。其中，碳氮氧循環是一種有碳、氮和氧元素參與的聚變過程，一般發生在太陽核心處。通過測量這種中微子抵達地球某一區域的數量，我們就可以推算出太陽產生這種中微子的總量，並以此推測出太陽中金屬的含量。
這是一種與日震學、光譜學不同的探測方法，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，而且這裡還有個大麻煩——碳氮氧循環產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，才能有機會分辨出碳氮氧循環產生的中微子。
目前，我們最大的希望寄託於在一台位於加拿大的名為SNO+的新型中微子探測器上，它裝備一個巨大的液體儲罐，當中微子通過時，這個液體儲罐就會發出藍光。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，並能夠探測到更多的中微子。
當SNO+正式運行時，它就能藉助探測中微子窺見太陽的核心。也許，該探測器可以證實阿斯普倫德的結論，或發現太陽那個「洞」根本不存在，或發現太陽中的「洞」可能比預想的更大。
究竟結果如何，讓我們拭目以待。
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