16.4：太阳内部-观测
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- 202057
学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 解释一下太阳是如何脉动的
- 解释什么是日震学以及它能告诉我们关于太阳内部的什么
- 讨论研究来自太阳的中微子如何帮助理解中微子
回想一下，当我们观察太阳的光圈（我们从外面看到的表层）时，我们看不到恒星的深处，当然也看不到产生能量的区域。 这就是为什么本节的标题——对太阳内部的观测——看起来非常令人惊讶的原因。 但是，天文学家确实设计了两种类型的测量方法，可用于获取有关太阳内部的信息。 一种技术涉及分析太阳表面小区域运动的微小变化。 另一个依赖于对太阳发射的中微子的测量。
太阳脉动
天文学家发现，太阳在脉动，也就是说，它交替膨胀和收缩，就像呼吸时胸部膨胀和收缩一样。 这种脉动非常轻微，但可以通过测量太阳表面的径向速度来检测，即太阳表面朝向或远离我们移动的速度。 据观察，太阳上小区域的速度会有规律地变化，首先是朝向地球，然后是离开，然后朝向地球，依此类推。 好像太阳在通过成千上万个肺部 “呼吸”，每个肺的大小在4000到15,000千米之间，每个肺部来回波动（图\(\PageIndex{1}\)）。
太阳上其中一个振荡区域的典型速度仅为每秒几百米，完成从最大速度到最小速度的完整周期然后再返回大约需要5分钟。 在任何给定点测得的太阳大小的变化都不超过几千米。
值得注意的是，这些微小的速度变化可以用来确定太阳内部是什么样子。 太阳表面的运动是由从内部深处到达太阳表面的波浪引起的。 对速度变化的振幅和周期长度的研究提供了有关波浪在到达地表之前经过的层的温度、密度和成分的信息。 这种情况在某种程度上类似于使用地震产生的地震波来推断地球内部的特性。 出于这个原因，对太阳振荡（来回运动）的研究被称为日震学。
波浪从中心到地表穿越太阳需要一个多小时，因此，像中微子一样，波浪提供了有关当前太阳内部情况的信息。 相比之下，请记住，我们今天看到的从太阳冒出的阳光实际上是在几十万年前在核心中产生的。
Helioseismology 表明，对流从地表向内延伸了 30％ 的路程向中心延伸；我们在第 16.3 节的绘图\(16.3.6\)中使用了这些信息。 脉动测量结果还表明，我们在太阳表面看到的差速旋转，最快的旋转发生在赤道，一直向下穿过对流区。 但是，在对流区以下，尽管太阳在整个过程中都是气态的，但它会像保龄球一样像坚固的物体一样旋转。 日震学的另一个发现是，除了核反应将氢气转化为氦气的中心外，太阳内部的氦气丰度与太阳表面的氦气丰度大致相同。 这个结果对天文学家很重要，因为这意味着当我们使用在太阳大气中测得的大量元素来构建太阳内部模型时，我们是正确的。
Helioseismology 还允许科学家观察黑子之下，看看它是如何工作的。 在《太阳：花园综艺之星》中，我们说黑子很酷，因为强磁场会阻挡能量的向外流动。 \(\PageIndex{2}\)该图显示了气体如何在黑子下方移动。 来自黑子的冷物质向下流动，黑子周围的物质被拉向内拉，携带磁场，从而保持形成黑子所必需的强场。 当新材料进入黑子区域时，它会冷却，变得更密集并下沉，从而形成了一个可以持续数周的自我延续周期。
向下流动的冷却物质充当一种堵塞，阻挡了热物质向上流动，然后热物质会横向转移，最终到达太阳黑子周围区域的太阳表面。 这种热物质的向外流动解释了我们在《太阳：花园品种之星》中描述的悖论，也就是说，当太阳的更多表面被凉爽的黑子覆盖时，太阳发出的能量会稍微多一些。
Helioseismology 已成为预测可能影响地球的太阳风暴的重要工具。 活跃区域可以在短短几天内出现并变得很大。 太阳自转周期约为 28 天。 因此，能够产生太阳耀斑和日冕物质抛射的区域可以在太阳的另一端形成，在很长一段时间内，我们无法直接看到它们。
幸运的是，我们现在有了太空望远镜从各个角度监视太阳，因此我们知道太阳的另一侧是否有黑子形成。 此外，声波在高磁场区域的传播速度稍快一些，活跃区域产生的波穿越太阳的速度比在安静区域产生的波快约6秒。 通过发现这种细微的差异，科学家可以在一周或更长时间内向电力公司和卫星运营商发出警告，告知潜在危险的活跃区域何时会旋转到视线中。 有了这个警告，就可以为中断做好计划，将关键仪器置于安全模式，或者重新安排太空行走时间以保护宇航员。
太阳中微子
获取太阳内部信息的第二种技术是探测核聚变过程中产生的几个难以捉摸的中微子。 回想一下我们之前的讨论，在太阳中心产生的中微子直接离开太阳，以接近光速传播到地球。 就中微子而言，太阳是透明的。
太阳核聚变产生的总能量中约有3％被中微子带走。 如此多的质子在太阳的核心内发生反应并形成中微子，科学家计算，每秒有3,500万（\(3.5 × 10^{16}\)）个太阳中微子穿过地球表面的每平方米。 如果我们能想出一种方法来探测其中几个太阳中微子，那么我们就能直接获得有关太阳中心正在发生的事情的信息。 不幸的是，对于那些试图 “捕获” 一些中微子的人来说，地球及其上的所有东西对经过的中微子也几乎是透明的，就像太阳一样。
但是，在非常罕见的情况下，数十亿个太阳中微子中的一个会与另一个原子相互作用。 首次成功探测到太阳中微子是使用清洁液 (\(\ce{C2Cl4}\))，这是将大量氯原子聚集在一起的最便宜的方法。 通过与中微子的相互作用，清洁液中的氯（Cl）原子核可以转化为放射性氩核。 由于氩具有放射性，因此可以检测到它的存在。 但是，由于中微子与氯的相互作用很少发生，因此需要大量的氯。
小雷蒙德·戴维斯 （图\(\PageIndex{3}\)）和他在布鲁克海文国家实验室的同事在南达科他州利德的一座金矿中，在地表以下 1.5 公里处放置了一个装有近 400,000 升清洁液的储罐。 选择地雷是为了使地球周围的物质能够防止宇宙射线（来自太空的高能粒子）到达清洁液并产生虚假信号。 （宇宙射线粒子被厚厚的地球层阻止，但中微子发现它们并不重要。） 计算表明，太阳中微子每天应在储罐中产生大约一个放射性氩原子。
这是一个了不起的项目：他们大约每个月计算一次氩原子，记住，他们在一个巨大的氯原子罐中寻找少量氩原子。 当一切都说完之后，戴维斯的实验始于1970年，探测到的中微子数量仅为太阳模型预测的三分之一左右！ 这是一个令人震惊的结果，因为天文学家认为他们对中微子和太阳内部都有很好的了解。 多年来，天文学家和物理学家一直在为戴维斯的结果而苦苦挣扎，试图找到摆脱 “缺失” 中微子困境的出路。
最终，戴维斯的结果可以用一个令人惊讶的发现来解释，即实际上有三种类型的中微子。 太阳聚变只产生一种类型的中微子，即所谓的电子中微子，而最初探测太阳中微子的实验旨在探测这种类型的中微子。 随后的实验表明，这些中微子在从太阳中心穿越太空到地球的旅程中会变成另一种类型，这种过程称为中微子振荡。
在加拿大萨德伯里中微子天文台进行的一项实验是第一个旨在捕获所有三种中微子的实验（图\(\PageIndex{4}\)）。 该实验位于地下 2 公里处的矿山中。 中微子探测器由一个直径为12米的透明丙烯酸塑料球组成，其中含有1000公吨的重水。 请记住，普通的水核包含两个氢原子和一个氧原子。 相反，重水含有两个氘原子和一个氧原子，而传入的中微子偶尔会分解构成氘核的松散结合的质子和中子。 重水球周围环绕着一个由1700公吨非常纯净的水组成的盾牌，该盾牌又被9600个光电倍增器所包围，这些设备可以探测中微子与重水相互作用后产生的闪光。
令制作太阳模型的天文学家大为松了一口气的是，萨德伯里实验每小时探测到大约一个中微子，并表明到达重水的中微子总数正是太阳模型所预测的。 但是，其中只有三分之一是电子中微子。 看来太阳产生的三分之二的电子中微子在从太阳核心进入地球时会转化为其他类型的中微子之一。 这就是为什么早期实验发现的中微子数量仅为预期的三分之一的原因。
尽管直观上并不明显，但只有在电子中微子的质量不为零的情况下，这种中微子振荡才会发生。 其他实验表明，它的质量很小（即使与电子相比也是如此）。 2015 年诺贝尔物理学奖授予研究人员 Takaaki Kajita 和 Arthur B. McDonald，以表彰他们在确定中微子多变性质方面的工作。 （雷蒙德·戴维斯与日本的小柴正聪分享了2002年诺贝尔奖，因为这些实验使我们首先了解了中微子问题。） 但是，中微子完全有质量的事实对物理学和天文学都有深远的影响。 例如，我们将在《宇宙大爆炸》中探讨中微子在宇宙质量清单中所起的作用。
Borexino实验是一项在意大利进行的国际实验，它检测到来自太阳的中微子，这些中微子被确定为来自不同反应。 尽管 p-p 链是产生太阳大部分能量的反应，但它并不是太阳核心中发生的唯一核反应。 有些副反应涉及铍和硼等元素的核。 通过探测每次反应产生的中微子的数量，Borexino实验帮助我们详细证实了我们对太阳核聚变的理解。 2014年，Borexino实验还确定了p-p链第一步产生的中微子，证实了太阳天文学家的模型。
令人惊讶的是，一系列实验最初使用足够的清洁液来填充游泳池，使旧金矿的竖井倒下，现在正在教会我们了解太阳的能量来源和物质的特性！ 这是一个很好的例子，说明了天文学和物理学的实验，再加上我们所能设计的最佳理论模型，如何继续导致我们对自然的理解发生根本性变化。
关键概念和摘要
对太阳振荡（日震学）和中微子的研究可以提供有关太阳内部的观测数据。 到目前为止，日震学技术表明，内部的成分与地表的组成非常相似（核心除外，其中一些原始氢气已转化为氦气），对流区从太阳表面延伸到其中心约30％。 Helioseismology 还可以探测太阳远端的活跃区域，并对可能影响地球的太阳风暴提供更好的预测。 来自太阳呼叫的中微子告诉我们太阳内部正在发生的事情。 最近的一项实验表明，太阳模型确实准确地预测了太阳核心中核反应产生的电子中微子的数量。 但是，这些中微子中有三分之二在从太阳到地球的漫长旅程中被转化为不同类型的中微子，这一结果也表明中微子不是无质量粒子。
词汇表
- 日震学
- 研究太阳的脉动或振荡，以确定太阳内部的特征