Неутриното разкри и последната тайна на ядрения синтез в Слънцето

3
4006

Физиците разкриха всички детайли в работата на ядрения синтез в Слънцето, благодарение на което Земята получава топлина и светлина. Това стана чрез улавяне на неутриното, излъчвано от недрата на нашата звезда.

Това откритие потвърди теоретичните изчисления, че част от слънчевата енергия се създава от верижна реакция с участието на ядрата на въглерода и азота. Почти всичката енергия – около 99%  на Слънцето се създава чрез така наречения протон-протонен цикъл. Този процес превръща четири протона в едно хелиево ядро, при което се освобождават две частици неутрино – най-леките от всички известни към днешен ден елементарни частици материя. Освен това, отделя се и огромно количество енергия, както и някои други субатомни частици.

Считаше се, че около 1% от енергията на Слънцето се получава чрез въглерод-азот-кислороден цикъл (CNO цикъла). Този процес доминира при много тежките звезди, които са достатъчно горещи, за въвлекат в синтез атомите на въглерода, азота и кислорода. Същият процес също би трябвало да поражда неутрино, но досега учените улавяха единствено неутриното от протон-протонния цикъл.

Сега всичко се промени. Физиците успяха да уловят неутриното, породено от CNO цикъла.

„Прекрасно бе да се потвърди една от фундаменталните теории за звездната структура“ – каза Марк Пинсоно, астрофизик от университета на щата Охайо.

CNO цикълът

тези резултати бяха получени при осъществяването на подземния експеримент Borexino в централна Италия, резултатите от който бяха представени на виртуалната конференция Neutrino 2020. Същата инсталация преди време регистрира директните излъчени от Слънцето частици неутрино от протон-протонния цикъл, който обяснява по-голямата част от ядрения синтез в нашата звезда. Но сега най-после бе открито и последното липсващо звено.

„Borexino изцяло разкри двата процеса, които карат Слънцето да работи“ – каза съпредседателят на Borexino Джоакино Ранучи, физик от Миланския университет в Италия, който представи получените при този експеримент резултати.

Това явно ще бъде заключителния етап за Borexino, който все още регистрира нови частици, но се очаква в рамките на една година да бъде закрит.

Огромната сфера-детектор

Експериментът Borexino за регистриране на слънчевите неутрино заема една огромна зала в скалния масив на дълбочина над 1 километър под националната лаборатория Гранд Сасо, Италия, където е поставен още през 2007 година. Детекторът се състои от гигантска найлонова сфера, напълнена с 278 тона течни въглеводороди, която е изцяло потопена във вода. Частиците неутрино изключително слабо взаимодействат с веществото – от над десетте милиарда неутрино, прелитащи през всеки квадратен сантиметър от Земята в рамките на една секунда, само няколко десетки неутрино в рамките на едно денонощие отскача от електроните на въглеводородите, при което се излъчва кратък светлинен импулс, който се улавя от хилядите фотосензори, поставени в резервоара.

Частиците неутрино от CNO цикъла на Слънцето са твърде редки, понеже те се образуват от малка част от ядрения синтез на звездата. Освен това, тези неутрино лесно могат да се объркат с неутриното, получено при радиоактивния разпад на бисмут-210 – изотоп, който прониква от повърхността на сферата във въглеводородната смес. Той възниква от разпада на изотопите на оловото, от което е направена вътрешната страна на този гигантски детектор.

Детекторът от експеримента Borexino

Това замърсяване е със съвсем ниска концентрация. Най голямото замърсяване от този род се получава при разпада на само няколко десетки ядра на бисмут във вътрешността на сферата. Отделянето на слънчевите неутрино от шума на бисмута е изисквало големи усилия, като първите опити в тази насока започват през 2014 година. Нямало е как да се премахне бисмут-210 от обвивката на огромната сфера и екипът си поставил за цел да забави скоростта, с която този елемент се просмуква към средата на детектора, като едновременно с това се игнорират сигналите от външните сектори. За да се направи това е трябвало да се контролират всички температурни дисбаланси в целия резервоар, които в противен случай биха довели до конвекция.

„Течността трябва да бъде съвсем неподвижна, като се допуска преместване само от около десетина сантиметра месечно“ – каза Ранучи.

За да се поддържа постоянна температурата на въглеводородите, екипът е обвил целия резервоар в изолационна обвивка и са поставили топлообменници, които автоматично уравновесяват температурата в целия резервоар. След това започнали да чакат. Чак през 2019 година шумът от радиоактивния бисмут отслабнал дотолкова, че е станало възможно да се регистрира сигнала от слънчевите неутрино. Към началото на 2020 година учените са успели да регистрират достатъчен брой частици неутрино, които са породени при CNO цикъла.

„Това е първото директно доказателство, че в звездите водородът наистина изгаря и чрез CNO синтеза“ – заяви Алдо Серенели, астрофизик от института за космически науки в Барселона, Испания.

Структурата на Слънцето

Освен потвърждаването на теоретичните досега представи за процесите в Слънцето, откритото CNO-неутрино хвърля светлина и на структурата на ядрото на нашата звезда и по-точно, на концентрацията на елементите, които астрофизиците наричан метали (всичко, което е по-тежко от водорода и Хелия).

Количествата неутрино, наблюдавани от Borexino, показват, че „металността“ на ядрото на Слънцето е по-голяма от тази на неговата повърхност. И тъй като металите регулират скоростта на разпространение на топлината от ядрото към повърхността на звездата, то може да се каже, че ядрото е по-хладно, отколкото се предполагаше при предишните теоретичните модели. Тази информация ще ни даде възможност по-пълно да разберем жизнения цикъл на Слънцето, особено когато е било млада звезда.

4.4 7 гласа
Оценете статията
Абонирай се
Извести ме за
guest
3 Коментара
стари
нови оценка
Отзиви
Всички коментари