我們將太陽的壽命高估了10億年

圖片來源：NASA

我們賴以生存的不僅僅是地球，還有距離我們 1.5 億公里的太陽。這顆帶給我們光和熱的恆星，也給天文學家們帶來了一個又一個謎團。明白太陽的化學成分和運作原理並不如想像中容易，一步走錯，滿盤皆輸，影響會延伸到宇宙的每個角落。提前10億年走向死亡的太陽，推翻的將不僅是一個理論……

掌握太陽命運的「金屬」

與任何一顆鼎盛時期的恆星一樣，太陽主要由氫和氦組成，氫原子兩兩聚變形成氦，釋放出巨大的能量。太陽中的重元素，即金屬（這個術語不同於一般所認知的「金屬」，因為在宇宙中氫和氦的組成量佔了壓倒性的大數量，天文學家將所有更重的元素都視為金屬）含量雖微，卻掌控著太陽的命運。

瑞典斯德哥爾摩大學（Stockholm University）研究太陽「金屬丰度（metallicity）」的物理學家薩尼·瓦尼奧奇（Sunny Vagnozzi）解釋道：「極少量的金屬就足以徹底改變恆星的行為。」

恆星的金屬丰度越高，不透明度就越高（因為金屬會吸收輻射）。恆星的不透明程度反過來又與它的大小、溫度、亮度、壽命等其他主要性質有關。瓦尼奧奇說：「金屬丰度基本上也能告訴你這顆恆星將如何死去。」

但是太陽的金屬丰度，除了揭示它自己的故事，還能夠作為一種衡量其他恆星金屬丰度的標尺，一窺宇宙中恆星、星系和其他一切星際物質的性質，比如年齡和溫度。

澳大利亞國立大學（Australian National University）的天體物理學家馬丁·阿斯普朗德（Martin Asplund）說道：「如果我們對這把標尺做出了修正，就意味著我們對整個宇宙的理解也必須改變。因此對太陽化學成分的準確掌握極為重要。」

相去甚遠的測量結果

然而，隨著對太陽金屬丰度的測量越來越精準，所得數據在解答天文學家相關疑問的同時，也給引發了更多的問題。

天文學家無法解釋諸如太陽的金屬丰度、物質含量、化學成分、模型建立問題等謎團，這意味著他們之前對太陽，乃至對所有恆星的理解可能都存在著「根本性偏差」。

瓦尼奧奇認為：「後果將無法設想。」

二十年前，天文學家自認為對太陽的理解足夠充分，直接和間接的測量結果都表明，太陽的金屬丰度在 1.8% 左右，多麼令人欣慰的一致啊，天文學家們因此相信，他們不僅掌握了太陽這把標尺的「長度」，更明晰了太陽運作的秘密。

但從 2000 年至今，越來越精確的太陽光譜測量，即太陽成分的直接探測（因為每一種元素都在會光譜中產生特徵吸收線）表明，太陽的金屬丰度僅有 1.3%，遠低於之前的的測量結果。

太陽光譜（來源：baas1995.org）

而與此同時，日震學（helioseismology）作為一種間接測量方法，基於不同頻率聲波在太陽內部傳播的方式，推斷出太陽的金屬丰度仍為 1.8%。

兩種方法所得的結果竟相去甚遠。

爭論陷入僵局

如果天文學家提出的太陽理論，即「標準太陽模型」是正確的，那光譜學和日震學結果就應該一致，也就是說，利用日震學測量應該能計算出太陽中對流大於輻射的邊界層深度。根據方程式，這一深度與不透明度相關，進而計算出太陽的金屬丰度。這一系列的計算結果，應該與太陽光譜測量的直接測量所得金屬丰度結果相同。

事實卻並非如此。

領導團隊進行精確光譜測量的阿斯普朗德說：「這不僅是太陽物理學的問題，更是整個天文學的問題。要麼天文學家不明白如何利用光譜學去測量恆星的元素丰度，要麼我們對恆星內部及其震蕩頻率的理解有所遺漏。無論如何，影響都是巨大的，因為恆星是我們探測宇宙的基本方式，恆星天體物理學為現代天文學和宇宙學奠定了深厚的基礎。」

耶魯大學（Yale University）的太陽天體物理學家薩巴尼·巴蘇（Sarbani Basu）表示，對可能出現的問題（包括太陽內部可能存在暗物質的猜測）探討多年之後，這場爭論已「陷入了一種僵局」。

隱晦的希望

但希望仍存。最近，太陽中微子（solar neutrino），一種來自太陽的壽命極短的粒子，為太陽金屬丰度的測量提供了隱晦的線索。

核聚變不同，產生的太陽中微子能量也就不同，因此太陽中微子攜帶了有關太陽成分的信息。

今年6月在德國海德堡舉行的一次會議上，義大利格蘭薩索國家實驗室（Italy"s Gran Sasso National Laboratory）對太陽中微子進行了檢測，結果稍傾向於太陽金屬丰度為 1.8% 的估計。

如果這個更高的太陽金屬丰度估計值是正確的，那麼阿斯普羅德團隊的光譜測量到底哪裡出了問題？

「如果問題出在光譜學上，那我們在分析其他恆星時，很可能也犯了同樣的錯誤。」他說。這將影響我們對恆星和包括銀河系在內的星系化學成分演化的解釋。

太陽壽命的驟減

但阿斯普倫德堅持認為，他 1.3% 的光譜測量估計是正確的。他指出，2015 年發表在《自然》雜誌上的一項研究表明，在太陽核心的高壓環境下，金屬對不透明度的正影響可能遠超我們的預料。如果根據這個誤差對「標準太陽模型」進行修正，日震學和中微子對金屬丰度的測量結果有可能降至 1.3%。

格蘭薩索國家實驗室的團隊，希望能在未來的幾年裡探測到碳氮氧循環（CNO cycle）中產生的微量太陽中微子。碳氮氧循環是太陽內部的一種聚變反應，以碳、氮和氧三種原子作為氫聚變成氦的催化劑。

團隊的合作者、馬薩諸塞大學阿姆赫斯特分校（University of Massachusetts Amherst）的物理學家安德里亞·波卡爾（Andrea Pocar）說：「碳氮氧循環產生的中微子受到金屬丰度的影響很大，所以探測這些中微子意義非凡。」

如果太陽金屬丰度真的只有 1.3%，「標準太陽模型」則確實在不透明度方面存在問題。

阿斯普朗德認為：「天文學的方方面面都會因此受到影響，對恆星演化的準確認識，幾乎奠定了一切的基礎。」 屆時，恆星和星系的估計年齡將不得不進行 10~15% 的修正。

不幸的是，從太陽本身，以及地球上未來生命的角度來看，金屬丰度低的恆星比金屬丰度高的恆星燃燒得更快，因此，太陽的壽命可能比我們預想的要短 10 億年。

撰文 Natalie Wolchover

翻譯賈曉璇

審校 徐文慧

編輯 徐文慧

https://www.quantamagazine.org/what-is-the-sun-made-of-and-when-will-it-die-20180705/

《環球科學》8月刊現已上市

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！