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金属元素含量决定了太阳何时会灭亡

本文来源:新浪科技 发布时间:2018.9.13

9月13日消息,据国外媒体报道,就像所有处于壮年时期的恒星一样,太阳主要由氢氦构成。氢原子两两聚合为氦原子,并在这一过程中释放出大量能量。但真正决定了太阳命运的,则是其中所含的微量重元素,即我们所说的金属元素。

9月13日消息,据国外媒体报道,就像所有处于壮年时期的恒星一样,太阳主要由氢氦构成。氢原子两两聚合为氦原子,并在这一过程中释放出大量能量。但真正决定了太阳命运的,则是其中所含的微量重元素,即我们所说的金属元素。

瑞典斯德哥尔摩大学物理学家桑尼?瓦格诺兹(Sunny Vagnozzi)指出:“哪怕金属含量仅占一小部分,也足以彻底改变恒星的行为。”瓦格诺兹一直在研究太阳的“金属丰度”(metallicity)。恒星的金属丰度越高,就越不透明(因为金属能够吸收辐射),而恒星的透明度反过来又与其大小、温度、亮度、寿命和其它关键性质有关。“恒星的金属丰度基本上决定了这颗恒星会如何死去。”瓦格诺兹表示。

但太阳的金属丰度除了能帮助我们了解太阳历史外,还可以作为一种衡量标准,帮助科学家调整对其它恒星金属丰度的测量方式,从而有助于我们了解其它恒星、星系及各类天体的年龄、温度等特性。“如果对太阳这根‘标杆’的认识有变,那么我们对宇宙的认识也会自动随之改变。”澳大利亚国立大学天体物理学家马丁?阿斯普朗德(Martin Asplund)指出,“因此准确了解太阳的化学元素构成可谓极其重要。”

然而,我们对太阳金属丰度的测量越精确,产生的新问题就越多。太阳金属丰度之谜又叫太阳丰度、太阳组成、或者太阳模型问题。天文学家至今无法解决这些问题,说明他们对太阳的认识、乃至所有恒星的认识“都存在根本性错误”,瓦格诺兹指出,“这可不是件小事情。”

20年前,天文学家一度以为自己已经弄清了与太阳有关的种种问题。通过直接和间接手段测得的太阳金属丰度均为1.8%左右,因此天文学家认为,他们不仅认清了太阳这根“标杆”,还弄清了太阳的运作原理。但自21世纪初以来,随着对阳光的光谱测量变得越来越精确,新的测量结果显示,太阳的金属丰度远低于这一水平,只有1.3%。而与此同时,通过测量不同频率的声波在太阳内部的传播规律、对太阳金属丰度进行间接推断的日震学测量法又显示太阳的金属丰度仍为1.8%

但如果天文学家的“标准太阳模型”理论正确无误,光谱测量法和日震学测量法得出的结果应该相同才对。也就是说,天文学家应当能用日震学的测量结果,计算出太阳内部某一重要界层的深度。就在这一界层处,对流的影响胜过了辐射。根据相关等式,该界层深度与太阳的不透明度有关,因而也与太阳金属丰度有关。通过这种方式计算出的金属丰度值应该与通过光谱测量直接得出的结果相同。然而事实并非如此。

“这个问题不仅属于太阳物理的范畴,还牵涉到整个天文学。”阿斯普朗德表示,正是他带领的团队开展了这些精确的光谱测量,“要么是天文学家不明白如何用光谱分析法测量恒星的元素含量,要么是我们对恒星的内部情况、以及它们的振动方式不够了解。无论是哪种原因,都造成了严重后果,因为恒星是我们了解宇宙的根本途径,恒星天体物理学奠定了现代天文学和宇宙学的大部分基础。”

到底是哪里出了错呢?天文学家围绕这一问题,展开了长达数年的讨论,甚至还有人猜测,这可能与太阳中的暗物质有关。据耶鲁大学太阳天体物理学家萨尔巴妮?巴苏(Sarbani Basu)介绍,这些讨论“有点儿陷入了僵局”。不过希望还是有的。就在最近,科学家从太阳中微子中发现了一些与太阳金属丰度有关的微弱线索。太阳中微子是一种由太阳发出的、转瞬即逝的粒子。太阳中发生的不同核聚变反应会产生能量不同的太阳中微子,因此这些粒子携带的信息可以反映出太阳的元素组成。在今年六月于德国海德堡举行的一次会议上,意大利格兰萨索国家实验室的Borexino实验团队报告称,他们对太阳中微子的探测结果更倾向于太阳金属丰度为1.8%的估测值。

假如这个估测值是正确的,那么阿斯普朗德等人开展的光谱测量究竟出了什么问题呢?“假如问题出在光谱分析法上,那我们在分析其它恒星时也可能会犯类似的错误。”阿斯普朗德表示,而这将对科学家对恒星和星系中化学元素演变的理解产生重大影响。

但阿斯普朗德仍坚持自己采用光谱分析法估测的1.3%的结论是正确的。他援引了2015年《自然》期刊上的一篇研究,提出在太阳内核的高压环境中,金属对不透明度的影响也许比我们之前认为的还要大。阿斯普朗德称,如果在标准太阳模型中对这一点进行纠正,采用日震学和中微子分析估测的金属丰度就能降低到1.3%了。

今后几年,Borexino团队计划对“碳-氮-氧”核聚变产生的微量太阳中微子展开探测。在该核聚变反应中,碳、氮、氧原子作为催化剂,促使氢原子聚变为氦原子。“‘碳-氮-氧’中微子受金属丰度的影响很大,因此对这些中微子的测量将起到决定性的作用。”美国马萨诸塞大学阿默斯特分校物理学家、Borexino团队成员安德里亚?波卡尔(Andrea Pocar)表示。

假如太阳的金属丰度真的只有1.3%,这就意味着标准太阳模型的确弄错了太阳的不透明度。“这会对天文学的方方面面产生巨大冲击。”阿斯普朗德表示,“因为我们所做的一切研究工作都需要以对恒星演化的准确认识为基础。”对恒星和星系年龄的估测或许要做出10至15%的调整。不幸的是,太阳这种金属丰度较低的恒星消耗燃料的速度更快,因此太阳寿命可能会比我们之前的预期再缩短10亿年。

(原标题:太阳何时会灭亡?取决于其中究竟含多少金属元素)

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责任编辑: 紫英

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