Нейтрино показали главный источник энергии Солнца. На 99% это протон-протонные реакции
Фотография детектора Borexino
The Borexino collaboration / Nature
Группа Borexino выполнила самые точные измерения спектра солнечных нейтрино и подтвердила, что 99 процентов солнечной энергии производится в реакциях протон-протонного цикла, а также показала, что гипотеза высокой солнечной металличности подтверждается со статистической значимостью около 2 сигма. Для этого физики семь лет наблюдали за нейтрино с помощью детектора Borexino, заполненного 300 тоннами сверхчистого сцинтиллятора. Статья опубликована в Nature.
Большая часть энергии, которую производит Солнце, приходится на реакции протон-протонного цикла, в ходе которых ядра водорода превращаются в ядра гелия (примерно два процента можно объяснить реакциями CNO-цикла). Как правило, цикл начинается со слияния двух протонов и последующего бета-распада дипротона, в результате которого образуется ядро дейтерия, позитрон, и электронное нейтрино. Гораздо реже — примерно в 0,25 процентах случаев — дейтрон и нейтрино рождаются при столкновении двух протонов и электрона (pep-реакция). Затем ядро дейтерия поглощает еще один протон, превращается в ядро гелия-3 и испускает фотон.
После этого реакции могут пойти по одному из четырех сценариев. Во-первых, с вероятностью около 85 процентов ядра гелия-3 превращаются в ядро гелия-4 (ветвь ppI). Во-вторых, в 15 процентах случаев образование ядер гелия-4 происходит с участием промежуточных ядер лития-7 и бериллия-7 (ветвь ppII). В-третьих, с вероятностью около 10 −5 в ходе промежуточных реакций могут образоваться ядра бериллия-8 (ветвь ppIII). Наконец, очень редко (вероятность порядка 10 −7 ) ядро гелия-3 может поглотить протон и превратиться в ядро гелия-4 (hep-реакция). В среднем в ходе реакций выделяется около 18 мигаэлектронвольт энергии. Впервые эту модель предложили в 1937 году физики Георгий (Джордж) Гамов и Карл Вайцзекер (Carl Weizsäcker), а в дальнейшем ее развили Ханс Бете (Hans Bethe) и Чарльз Критчфилд (Charles Critchfield).
Протон-протонный цикл (слева) и CNO-цикл (справа). Цветом выделены реакции, в которых рождаются нейтрино
The Borexino collaboration / Nature
Спектр нейтрино из реакций протон-протонного и CNO-цикла. Цвета соответствуют предыдущей схеме
The Borexino collaboration / Nature
Поэтому долгое время ученые не могли поймать солнечные нейтрино, а потом долго не могли подробно изучить их свойства, поскольку набранная статистика была слишком маленькой. Несмотря на то, что к настоящему времени за исследования солнечных нейтрино вручены две Нобелевские премии по физике (2002 и 2015 года), а некоторые работы сообщали о регистрации нейтрино отдельных реакций протон-протонного цикла, полностью восстановить цикл ученым до сих пор не удавалось.
Группа Borexino, в которую входят, в том числе российские физики, наконец закрыла этот пробел, одновременно измерив нейтрино от всех реакций протон-протонного цикла, в которых они рождаются. Кроме того, с помощью собранных данных ученые проверили Стандартную Солнечную Модель — основную теоретическую модель, которая используется для описания происходящих на Солнце процессов. Для этого ученые использовали детектор Borexino — нейлоновую сферу диаметром 8,5 метров, которая заполнена 300 тоннами сверхчистого жидкого сцинтиллятора (псевдокумола) и просматривается 2200 фотоумножителями.
Когда нейтрино сталкивается с ядром сцинтиллятора, в нем выделяется небольшое количество энергии и рождаются фотоэлектроны, а фотоумножители отслеживают эти процессы. Чтобы снизить фоновое загрязнение от космических частиц, ученые установили детектор в подземной Лаборатории Гран-Сассо, расположенной на глубине 1400 метров. От распадов радиоактивных элементов, которые содержатся в горных породах, детектор защищает слой сверхчистой воды. Кроме того, сцинтиллятор очищен от радиоактивных элементов: в одном его грамме содержится менее 10 −19 грамм урана-238 и 10 −18 грамм тория-232. Благодаря этим мерам детектор может регистрировать нейтрино с энергиями вплоть до 0,2 мегаэлектронвольт, а его чувствительность превышает чувствительность любого другого нейтринного детектора (например, SuperKamiokande или SNO). Суммарно детектор Borexino проработал около 2000 дней (семь лет).
В результате ученые измерили энергетический спектр нейтрино, которые рождаются во всех пяти реакциях протон-протонного цикла, уточнили результаты предыдущих измерений и сделали несколько открытий. Во-первых, физики впервые измерили поток «бериллиевых» нейтрино, причем погрешность измерений составила около трех процентов, что в два раза меньше погрешности теоретических предсказаний Стандартной Солнечной модели. Во-вторых, со статистической значимостью около 5 сигма ученые подтвердили, что на Солнце идут pep-реакции (в результате которых сливаются два протона и электрон). Ранее статистическая значимость этой гипотезы была гораздо ниже. В-третьих, исследователи уточнили на 8 процентов скорость «борной» реакции из канала pepIII и других процессов.
Измеренный на практике спектр электронных нейтрино
Источник
Сколько времени фотон идёт от центра Солнца до поверхности?
Мне в мой канал в телеграме прислали следующий вопрос:
Добрый день! Во многих источниках пишут, что фотону от центра Солнца до его края идёт десятки тысяч лет (встречал цифру 40 000 лет). Так ли это? Можете объяснить как это происходит?
Отличный вопрос, основанный на тиражируемой многими околонаучными пабликами, сайтами и каналами информации.
На самом деле фотон, зародившись в ядре Солнца, идёт до поверхности Солнца случайное время. У одного фотона этот путь может занять несколько секунд, а другому — потребуются сотни тысяч или даже миллионы лет.
Я не знаю на чем основана цифра в 40 000 лет. Скорее всего это какое-то среднее значение полученное с помощью результатов какого-то моделирования.
Внутри Солнца плотность вещества — огромна. Однако, как мы знаем, даже в очень плотном веществе атомы не стоят вплотную друг к дружке как кирпичи в кладке. Даже в солнечном веществе большая часть объема — это пустое пространство между атомами.
Новорождённый фотон ждёт одна из двух возможных судеб. Или ему повезёт «проскочить» мимо всех атомов солнечного вещества и вылететь из Солнца, или же он столкнётся с каким-то атомом.
В первом случае фотон покидает Солнце сразу — буквально за пару секунд. Во втором начинается чистая чехарда. Фотон сталкивается с атомом, атом поглощает его и испускает точно такой же в произвольном направлении. Так фотон может носиться десятки тысяч лет от одного атома к другому внутри Солнца, до тех пор пока наконец по воле случая не выскочит за его пределы.
А вот дальнейший путь фотона до Земли уже проходит гораздо быстрее — всего 8 с небольшим минут.
Ставьте палец вверх чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!
Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мой канал в телеграме . Там вы можете почитать большое количество интересных материалов, а также задать свой вопрос.
Источник
Ученые смогли полностью объяснить, как работает Солнце
Физики нанесли последний недостающий штрих на картину того, как работает ядерный синтез в Солнце, благодаря которому Земля получает тепло и свет, уловив неуловимые нейтрино, исходящие из ядра нашей звезды.
Это открытие подтверждает давние теоретические предсказания о том, что некоторая часть солнечной энергии создается цепью реакций с участием ядер углерода и азота. Большую часть энергии — а именно около 99% — Солнце получает путем протон-протонного цикла. Этот процесс сплавляет четыре протона вместе в ядро гелия, высвобождая два нейтрино — самые легкие из известных элементарных частиц материи — а также другие субатомные частицы и большое количество энергии.
Но также считалось, что около 1% энергии Солнце получает путем углерод-азотного синтеза (он же CNO-цикл). Этот сценарий является доминирующим в очень тяжелых звездах, достаточно горячих, чтобы вовлечь в синтез атомы углерода, азота и кислорода. Этот процесс также должен порождать нейтрино, однако до сих пор физики находили лишь те из них, которые были рождены путем протон-протонного цикла.
Теперь все изменилось — ученые смогли обнаружить нейтрино, порожденные CNO-циклом. «Интеллектуально прекрасно на самом деле подтвердить одно из фундаментальных предсказаний теории звездной структуры», — говорит Марк Пинсонно, астрофизик из Университета штата Огайо в Колумбусе.
CNO-цикл.
Такие результаты были получены в рамках подземного эксперимента Borexino в центральной Италии и представлены на виртуальной конференции Neutrino 2020. Установка ранее уже произвела первые прямые обнаружения нейтрино, полученных путем протон-протонного цикла, который объясняет большую часть ядерного синтеза в Солнце, и теперь наконец-то было найдено последнее недостающее звено. «Благодаря этому результату Borexino полностью раскрыл два процесса, заставляющих Солнце работать», — сказал сопредседатель Borexino Джоаккино Рануччи, физик из Миланского университета в Италии, который представил результаты на конференции.
Эти результаты являются заключительной вехой для Borexino, который все еще принимает новые данные, но теперь скорее всего обречен на закрытие в течение года. «Мы закончили на ура», — говорит Марко Паллавичини из Университета Генуи, Италия, другой сопредседатель эксперимента.
Эксперимент Borexino по солнечным нейтрино занимает огромный зал в скальном массиве на глубине более 1 километра под Национальной лаборатории Гран Сассо, Италия, где он проводится с 2007 года. Детектор состоит из гигантской нейлоновой сферы, заполненной 278 тоннами жидких углеводородов и погруженной в воду. Нейтрино крайне слабо взаимодействуют с веществом — из более чем десяти миллиардов, пролетающих через каждый квадратный сантиметр поверхности Земли в секунду, лишь несколько десятков в день отскакивает от электронов в углеводородах, создавая вспышки света, которые улавливаются тысячами фотонных датчиков, находящихся по краям резервуара.
Нейтрино, рожденные путем CNO-цикла, в Солнце достаточно редки, потому что они ответственны только за небольшую долю ядерного синтеза. Более того, такие нейтрино легко спутать с теми, которые образуются в результате радиоактивного распада висмута-210, изотопа, который просачивается с поверхности сферы в углеводородную смесь. Он возникает из-за распада изотопов свинца, из которого состоит внутренняя часть гигантского детектора.
Так выглядит детектор, используемый в эксперименте Borexino.
Хотя загрязнение существует в чрезвычайно низких концентрациях — самое большее несколько десятков ядер висмута распадаются в день внутри сферы — отделение солнечных нейтрино от висмутового шума потребовало кропотливых усилий, которые начались в 2014 году. Висмут-210 нельзя было убрать из оболочки огромной сферы, поэтому целью было замедлить скорость, с которой этот элемент просачивается в середину детектора, игнорируя при этом любые сигналы с внешнего края. Чтобы сделать это, команде пришлось контролировать любые температурные дисбалансы по всему резервуару, которые в противном случае могли бы привести к конвекции и быстрому перемешиванию его содержимого. «Жидкость должна быть чрезвычайно неподвижной, перемещаясь самое большее на несколько десятых сантиметра в месяц», — говорит Паллавичини.
Чтобы поддерживать постоянную равномерную температуру углеводородов, они закутали весь резервуар в изоляционное одеяло и установили теплообменники, чтобы автоматически уравновешивать температуру во всем резервуаре. Потом они стали ждать. Только в 2019 году шум от радиоактивного висмута стал достаточно слабым, чтобы выделить сигнал от солнечных нейтрино. К началу 2020 года исследователи собрали достаточно частиц, чтобы заявить об обнаружения нейтрино, рожденных путем CNO-цикла.
«Это первое прямое доказательство того, что сжигание водорода путем CNO-синтеза действительно происходит в звездах», — говорит Альдо Серенелли, астрофизик из Института космических наук в Барселоне, Испания. «Так что это действительно удивительно».
Предположения о солнечной поверхности
Помимо подтверждения теоретических предсказаний о том, каким способом Солнце получает энергию, обнаружение CNO-нейтрино также может пролить свет на структуру ядра нашей звезды — в частности, на концентрацию элементов, которые астрофизики называют металлами (все, что тяжелее водорода и гелия).
Количество нейтрино, наблюдаемых Borexino, похоже, ближе к классическим моделям, в которых ядро Солнца имеет схожую «металличность» со своей поверхностью. Но более современные исследования начали подвергать сомнению это предположение, говорит Серенелли.
Эти работы показывают, что металличность ядра все же ниже. А поскольку именно металлы регулируют скорость распространения тепла от ядра Солнца, это означает, что ядро немного холоднее, чем предполагали предыдущие оценки. Производство нейтрино чрезвычайно чувствительно к температуре, и всевозможные нейтрино из различных синтезов, наблюдаемые в эксперименте Borexino, дают значения металличности ближе к тем, которые получаются в классических моделях, а не новых, говорит Серенелли.
В качестве возможного объяснения он и другие астрофизики предположили, что ядро имеет более высокую металличность, чем внешние слои. Его состав мог бы рассказать больше о ранних стадиях жизни Солнца, до того, как образование планет удалило некоторые металлы, которые накапливались на поверхности молодой звезды.
Источник
Протоны от солнечных вспышек добрались до Земли
МОСКВА, 15 мая — РИА Новости. Заряженные частицы, выброшенные Солнцем во время четырех мощных вспышек в предыдущие дни, добрались до Земли — американские спутники GOES фиксируют рост концентрации протонов в околоземном пространстве, возможна слабая «протонная буря», свидетельствуют данные центра прогноза космической погоды Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA).
«Это остатки потоков, которые были инжектированы (выброшены) ранее активной областью 1748 на восточном краю Солнца. Основные потоки прошли мимо. Мы не ожидаем никаких опасных явлений, никаких опасных превышений. Может быть, они S1 превысят немного, то есть самый низший уровень (протонного события)», — сказал РИА Новости представитель Института прикладной геофизики Росгидромета.
С понедельника на Солнце произошли четыре мощные рентгеновские вспышки наивысшего класса X, которые не наблюдались с октября 2012 года. Каждая такая вспышка сопровождалась выбросами солнечной плазмы и заряженных частиц высоких энергий. Их источник — группа пятен 1748 — находился на восточном краю Солнца, поэтому выбросы прошли и проходят мимо Земли, и не вызовут магнитных бурь.
Собеседник агентства отметил, что по мере движения активной области 1748 с востока на запад солнечного диска, вспышки, исходящие от нее будут представлять все большую опасность для Земли.
«Сектор удобный для «обстрела» — это западная полусфера Солнца, она (активная область) должна пройти через центральный меридиан. Это еще дня четыре. Но никто не может сказать, сколько у нее есть в запасе еще энергии, сможет ли она выдать еще мощное событие, или уже исчерпала свои «запасы», — сказал сотрудник ИПГ.
Источник