太阳寿命骤减：我们对宇宙的理解存在着根本性偏差

Wolchover 科研圈 2018-10-16

NASA 太阳动力学观测台拍摄的太阳

图片来源：NASA / SDO / Seán Doran

我们赖以生存的不仅仅是地球，还有距离我们 1.5 亿公里的太阳。这颗带给我们光和热的恒星，也给天文学家们带来了一个又一个谜团。明白太阳的化学成分和运作原理并不如想象中容易，一步走错，满盘皆输，影响会延伸到宇宙的每个角落。提前10亿年走向死亡的太阳，推翻的将不仅是一个理论……

撰文 Natalie Wolchover

翻译贾晓璇

审校徐文慧

编辑徐文慧

掌握太阳命运的“金属”

与任何一颗鼎盛时期的恒星一样，太阳主要由氢和氦组成，氢原子两两聚变形成氦，释放出巨大的能量。太阳中的重元素，即金属（这个术语不同于一般所认知的“金属”，因为在宇宙中氢和氦的组成量占了压倒性的大数量，天文学家将所有更重的元素都视为金属）含量虽微，却掌控着太阳的命运。

瑞典斯德哥尔摩大学（Stockholm University）研究太阳“金属丰度（metallicity）”的物理学家萨尼·瓦尼奥奇（Sunny Vagnozzi）解释道：“极少量的金属就足以彻底改变恒星的行为。”

恒星的金属丰度越高，不透明度就越高（因为金属会吸收辐射）。恒星的不透明程度反过来又与它的大小、温度、亮度、寿命等其他主要性质有关。瓦尼奥奇说：“金属丰度基本上也能告诉你这颗恒星将如何死去。”

但是太阳的金属丰度，除了揭示它自己的故事，还能够作为一种衡量其他恒星金属丰度的标尺，一窥宇宙中恒星、星系和其他一切星际物质的性质，比如年龄和温度。

澳大利亚国立大学（Australian National University）的天体物理学家马丁·阿斯普朗德（Martin Asplund）说道：“如果我们对这把标尺做出了修正，就意味着我们对整个宇宙的理解也必须改变。因此对太阳化学成分的准确掌握极为重要。”

相去甚远的测量结果

然而，随着对太阳金属丰度的测量越来越精准，所得数据在解答天文学家相关疑问的同时，也给引发了更多的问题。

天文学家无法解释诸如太阳的金属丰度、物质含量、化学成分、模型建立问题等谜团，这意味着他们之前对太阳，乃至对所有恒星的理解可能都存在着“根本性偏差”。

瓦尼奥奇认为：“后果将无法设想。”

二十年前，天文学家自认为对太阳的理解足够充分，直接和间接的测量结果都表明，太阳的金属丰度在 1.8% 左右，多么令人欣慰的一致啊，天文学家们因此相信，他们不仅掌握了太阳这把标尺的“长度”，更明晰了太阳运作的秘密。

但从 2000 年至今，越来越精确的太阳光谱测量，即太阳成分的直接探测（因为每一种元素都在会光谱中产生特征吸收线）表明，太阳的金属丰度仅有 1.3%，远低于之前的的测量结果。

太阳光谱

图片来源：baas1995.org

而与此同时，日震学（helioseismology）作为一种间接测量方法，基于不同频率声波在太阳内部传播的方式，推断出太阳的金属丰度仍为 1.8% 。

两种方法所得的结果竟相去甚远。

争论陷入僵局

如果天文学家提出的太阳理论，即“标准太阳模型”是正确的，那光谱学和日震学结果就应该一致，也就是说，利用日震学测量应该能计算出太阳中对流大于辐射的边界层深度。根据方程式，这一深度与不透明度相关，进而计算出太阳的金属丰度。这一系列的计算结果，应该与太阳光谱测量的直接测量所得金属丰度结果相同。

太阳内部结构

图片来源：kepu.net.cn

事实却并非如此。

领导团队进行精确光谱测量的阿斯普朗德说：“这不仅是太阳物理学的问题，更是整个天文学的问题。要么天文学家不明白如何利用光谱学去测量恒星的元素丰度，要么我们对恒星内部及其震荡频率的理解有所遗漏。无论如何，影响都是巨大的，因为恒星是我们探测宇宙的基本方式，恒星天体物理学为现代天文学和宇宙学奠定了深厚的基础。”

耶鲁大学（Yale University）的太阳天体物理学家萨巴尼·巴苏（Sarbani Basu）表示，对可能出现的问题（包括太阳内部可能存在暗物质的猜测）探讨多年之后，这场争论已“陷入了一种僵局”。

隐晦的希望

但希望仍存。最近，太阳中微子（solar neutrino），一种来自太阳的寿命极短的粒子，为太阳金属丰度的测量提供了隐晦的线索。

图片来源：NASA

核聚变不同，产生的太阳中微子能量也就不同，因此太阳中微子携带了有关太阳成分的信息。

今年6月在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（Italy's Gran Sasso National Laboratory）对太阳中微子进行了检测，结果稍倾向于太阳金属丰度为 1.8% 的估计。

如果这个更高的太阳金属丰度估计值是正确的，那么阿斯普罗德团队的光谱测量到底哪里出了问题？

“如果问题出在光谱学上，那我们在分析其他恒星时，很可能也犯了同样的错误。”他说。这将影响我们对恒星和包括银河系在内的星系化学成分演化的解释。

太阳寿命的骤减

但阿斯普伦德坚持认为，他 1.3% 的光谱测量估计是正确的。他指出，2015 年发表在《自然》杂志上的一项研究表明，在太阳核心的高压环境下，金属对不透明度的正影响可能远超我们的预料。如果根据这个误差对“标准太阳模型”进行修正，日震学和中微子对金属丰度的测量结果有可能降至 1.3%。

格兰萨索国家实验室的团队，希望能在未来的几年里探测到碳氮氧循环（CNO cycle）中产生的微量太阳中微子。碳氮氧循环是太阳内部的一种聚变反应，以碳、氮和氧三种原子作为氢聚变成氦的催化剂。

团队的合作者、马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校（University of Massachusetts Amherst）的物理学家安德里亚·波卡尔（Andrea Pocar）说：“碳氮氧循环产生的中微子受到金属丰度的影响很大，所以探测这些中微子意义非凡。”