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咱咱咱们将太阳的寿命高估了10亿年

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图片来源:NASA

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  来源:全球科学ScientificAmerican

  咱咱咱们赖以生计的不只仅是地球,另有距离咱咱咱们 1.5 亿公里的太阳。这颗带给咱咱咱们光和热的恒星,也给天文学家咱咱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,影响会延长到宇宙的每个角落。提前10亿年走向死亡的太阳,推翻的将不只是一个实践……

  节制太阳命运的“金属”

  与任何一颗壮盛时期的恒星一样,太阳重要由氢和氦构成,氢原子两两聚变构成氦,释放出弘大的能量。太阳中的重元素,即金属(这个术语分歧于一样平常所认知的“金属”,因为在宇宙中氢和氦的构成量占了压倒性的大数目,天文学家将统统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(因为金属会接收辐射)。恒星的不透明程度反过来又与它的大小、温度、亮度、寿命等其余重要性质无关。瓦尼奥奇说:“金属丰度基本上也能奉告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,还可以或许或许作为一种衡量其余恒星金属丰度的标尺,一窥宇宙中恒星、星系和其余统统星际物质的性质,比如年纪和温度。

  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:“如果咱咱咱们对这把标尺做出了修正,就意味着咱咱咱们对全体宇宙的懂得也必需改变。因此对太阳化学成分的精确节制极其重要。”

  相去甚远的测量结果

  然而,跟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干疑问的同时,也给引发了更多的成就。

  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、模子树立成就等谜团,这意味着他咱咱们之前对太阳,甚至对统统恒星的懂得可能都存在着“基本性偏差”。

  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懂得足够充足,间接和间接的测量结果都表明,太阳的金属丰度在 1.8% 阁下,何等令人欣慰的同等啊,天文学家咱咱们因此相信,他咱咱们不只节制了太阳这把标尺的“长度”,更明晰了太阳运作的秘密。

太阳光谱(来源:baas1995.org)

  但从 2000 年至今,越来越的太阳光谱测量,即太阳成分的间接探测(因为每一种元素都在会光谱中发生特征接收线)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(来源:baas1995.org)

  而与此同时,日震学(helioseismology)作为一种间接测量办法,基于分歧频率声波在太阳内部流传的办法,推断出太阳的金属丰度仍为 1.8%。

  两种办法所得的结果竟相去甚远。

  争论陷入僵局

太阳内部布局(来源:kepu.net.cn)

  如果天文学家提出的太阳实践,即“模范太阳模子”是正确的,那光谱学和日震学结果就应该同等,也便是说,利用日震学测量应该能计算出太阳中对流大于辐射的界限层深度。根据方程式,这一深度与不该度相干,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间接测量所得金属丰度结果相同。太阳内部布局(来源:kepu.net.cn)

  事实却并非如斯。

  引导团队停止光谱测量的阿斯普朗德说:“这不只是太阳物理学的成就,更是全体天文学的成就。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,要么咱咱咱们对恒星内部及其震荡频率的懂得有所遗漏。不管如何,影响都是弘大的,因为恒星是咱咱咱们探测宇宙的基本办法,恒星天体物理学为现代天文学和宇宙学奠基了深厚的基础。”

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

  隐晦的盼望

  但盼望仍存。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供给了隐晦的线索。

  核聚变分歧,发生的太阳中微子能量也就分歧,因此太阳中微子携带了无关太阳成分的信息。

  今年6月在德国海德堡举行的一次集会上,意大利格兰萨索国度试验室(Italy‘s Gran Sasso National Laboratory)对太阳中微子停止了检测,结果稍偏向于太阳金属丰度为 1.8% 的兰啤

  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成就?

  “如果成就出在光谱学上,那咱咱咱们在阐发其余恒星时,很可能也犯了同样的错误。”他说。这将影响咱咱咱们对恒星和包含河汉系在内的星系化学成分演化的解释。

  太阳寿命的骤减

  但阿斯普伦德对峙认为,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,在太阳中央的高压环境下,金属对不透明度的正影响可能远超咱咱咱们的预料。如果根据这个误差对“模范太阳模子”停止修正,日震学和中微子对金属丰度的测量结果有可能降至 1.3%。

  格兰萨索国度试验室的团队,盼望能在未来的几年里探测到碳氮氧轮回(CNO cycle)中发生的微量太阳中微子。碳氮氧轮回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:“碳氮氧轮回发生的中微子遭到金属丰度的影响很大,所以探测这些中微子意义不凡。”

  如果太阳金属丰度真的只要 1.3%,“模范太阳模子”则确切在不透明度方面存在成就。

  阿斯普朗德认为:“天文学的方方面面都邑因此遭到影响,对恒星演化的精确认识,几乎奠基了统统的基础。” 届时,恒星和星系的估计年纪将不得不停止 10~15% 的修正。

  不幸的是,从太阳自己,和地球上未来性命的角度来看,金属丰度低的恒星比金属丰度高的恒星燃烧得更快,因此,太阳的寿命可能比咱咱咱们预想的要短 10 亿年。

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