我們如何知道恆星的組成：在地下深處研究太陽

新浪科技訊 北京時間2月15日消息，據國外媒體報導，數十億年來，每一天清晨太陽都照常，照耀大地。太陽距離我們有1.5億公里遠，但它仍然如此明亮，以至於我們根本無法用肉眼直視太陽的光輝。在太陽表面，溫度超過5500攝氏度，足以熔化金屬，任何探測器都必須避免過於靠近太陽，以免遭受破壞。

換句話，太陽几乎就是一個溫度高的難以置信，我們根本無法近身的大火球。但這並不意味我們沒有辦法對太陽開展研究。

光的秘密

事實上，我們有很多非常精巧的方法，不僅可以研究太陽，甚至可以對夜空中那點點繁星開展研究。到今天，我們已經知曉有關恆星的很多知識，但我們究竟是怎麼辦到的？

首先，我們要借助的是光。我們或許不能用肉眼直視太陽，但科學儀器可以。正如你可能已經知道的那樣，我們所看到的的“白色光”實際上是由很多單色光混合后的物，如果我們使用三稜鏡，我們就能把這些單色光分離開，從深紅色一直到紫色，就像一道彩虹。

時間退回到1802年的英格蘭，一位名叫威廉·海德-武拉斯頓（William Hyde Wollaston）的科學家正在對太陽光開展這樣的實驗。然后他注意到一個奇怪的現象：在太陽光分離出的單色光譜中，有一些細細的黑線。

科學家們很快便意識到這些暗線代表的是這一區域的色缺失了。之所以這些色會缺失，是因為太陽上或者太陽附近的某些元素會吸收特定波長的光。因此鑒定光譜中的這些暗線分佈與特徵，就能夠對應鑒定出太陽上的元素成分，比如氫、鈉和鈣等等。

這種方法真是聰明、優雅而簡單，它或多或少可以是一下子將一把開啟恆星研究大門的鑰匙交到了人類的手裏。然而，正如英國牛津大學的物理學家菲利普·普德薩多瓦斯基（Philipp Podsiadlowski）所指出的那樣，這種方法存在天然的局限性。他：“這種方法只能告訴你太陽表面的成分是什麼，但你對於太陽的內部成分仍然一無所知。”

那麼太陽內部的成分究竟是什麼？了解這一點或許將有助於我們揭開太陽獲得如此巨大能量的來源之謎。

在地下深處研究太陽

人類對於太陽為何能夠生如此強大能量的最初認識大致開始於20世紀初期，當時核物理學家們意識到，如果兩個氫原子合併形成氦原子，在這一被稱作“核聚變”的過程中將會釋放出巨大的能量。由於觀測顯示太陽富含氫和氦，似乎在提示科學家們，它巨大的能量來源或許就與氫原子的核聚變反應有關。科學家們現在急需找到證據證明這一點。

普德薩多瓦斯基解釋：“1930年代的人們意識到，太陽可能是由氫原子的核聚變生能量的，當然在當時這還只是一種理論猜想。”

從這裏開始，對太陽的研究變得詭異起來——太陽在天空中照耀大地，哺育萬物。而為了了解太陽，我們需要跑到地底下去。事實上，我們必須把我們的實驗室整個都搬到大山的地下。而這正是日本的“超級神岡”探測器的設計方案。

在地下大約一公里深處，一座樣子怪異，光線昏暗的地下實驗室展露眼前。這裏有一個巨大的容器，其中灌滿超純凈水，容器的四周、頂部和底部都佈滿大約13000個光電倍增器。整個場景讓人想起科幻小中的情節，但“超級神岡”探測器是真實存在的，建造它的目的是幫助科學家們揭開太陽運作的機制之謎。

“超級神岡”探測器深埋地下，很顯然它不是用來探測光線的。實際上，“超級神岡”的探測目標是一種神秘的粒子，它生於太陽核心，能夠任意穿過物質而暢通無阻，太陽、地球或是我們的身體，在它面前都像空氣一樣可以隨意穿過。

這種神秘粒子叫做“中微子”，每一秒鐘都有數萬億個這樣的粒子穿過我們的身體。如果不借助特殊的探測設備，或許我們永遠都沒辦法探測到它們的存在。但“超級神岡”探測器可以，盡管效率很低——大約每天可以檢測到40個中微子信號，它利用的原理是中微子在極偶然的條件下與純水分子發生碰撞時生的熒光效應。

這樣的熒光信號極其微弱，但它會在中微子周圍生某種“光暈”，而這種光暈可以被遍佈容器四周，極敏感的光探測器捕捉到。

通過這種方法檢測到來自太陽核心的特定種類中微子信號，為科學家們提供了確鑿的證據，證明氫核聚變反應的確正在太陽內部發生。除此之外，我們沒有任何其他途徑能夠解釋我們所獲得的探測數據。

普德薩多瓦斯基：“你只能檢測到極小一部分的中微子，但你卻能夠根據檢測到信號的數量估算出這一時段內中微子的實際通量。”

更令人驚奇的是，這些中微子是在太陽核心進行的氫核聚變反應中生的，但是，僅僅8分鐘之后“超級神岡”探測器便探測到了它們穿過的信號。這也就意味，如果能夠對這些中微子進行研究，我們几乎就可以實現對太陽核心情況的“實時監控”。

如果你感覺這還不夠，那麼實際上科學家們甚至還還能利用這種弄方法實現對太陽的成像。理論上來，未來科學家們可以利用這種方法，借助在地下獲取的監測數據，實現對太陽內部的成像。

恆星：巨大的核聚變反應堆

然而為了更好的理解太陽內部核聚變反應的相關細節，仍然需要在地球上對核聚變過程開展相關研究。從理論上這並不困難：前不久，一名年僅13歲的英國小男孩就在家裏成功實現了核聚變反應的實驗。但如果你想要不受干擾的對這種反應過程進行詳細觀察，那麼你還是必須得搬到地下的實驗室裏才能進行。

而這正是英國愛丁堡大學的核物理學家瑪利亞路易斯·阿里奧托（Marialuisa Aliotta）正在從事的工作。阿里奧托解釋，關於核聚變所面臨的重大困難之一便是如何讓兩個原子“同意”合併——原子發生合併從而生核聚變反應的幾率是非常非常低的。

不過，太陽內部的環境對於核聚變的發生有兩大重要的是有利條件，能夠大大提升核聚變發生的可能性。首先太陽質量巨大，有巨量的原子，並且同樣是因為太陽 的質量巨大，它能夠生足夠強大的引力，將位於太陽核心位置的氫原子進行擠壓，使其所有原子核相互之間的距離被大大壓縮，這讓核聚變的發生幾率大大升高。

阿里奧托指出：“在一顆類似太陽這樣的恆星內部，經由核聚變生巨大能量的幾率是非常高的，原因很簡單，就是它質量大，其內部的質子數量非常多。在實驗室裏我們可沒有那麼多的質子數目，因此就非常難以對核聚變反應過程進行研究。”

不過，阿里奧托仍然能夠利用一些大型地下實驗設施開展對核聚變的觀察研究，比如位於義大利的“地下核天體物理實驗室”（LUNA）。她們開展的工作讓阿里奧托和同事們能夠了解當核聚變發生時的有關情況——這一過程中生了什麼物質？各種粒子之間是如何相互反應的？諸如此類。

黑子、亮斑和耀斑

很多人會想當然的將太陽視作一座永久性的太空燈塔，永遠生相同亮度的光度。然而事實並非如此。其實，就如萬事萬物一樣，恆星也有自己的生命周期，各階段的長短時間主要取決於它的質量大小極其內部的元素成分。

近幾年來，通過對一些現象細節的研究，我們對於太陽如何發生改變已經有了相當程度的了解。這些現象的其中之一便是太陽黑子，這是太陽光球表面出現的暫時性暗斑。觀測記錄已經讓我們了解了太陽在多年期間，其在不同波段，如可見光波段所生的輻射總量的變化情況。

在1980年代，美國“太陽極大年使者探測器”（Solar Maximum Mission）項目的科學家們發現，在大約10年 的時間裏，太陽的能效率會出現一次起伏：下降，然后再回升。更加令人驚訝的是在此期間太陽黑子數量的變化與這一變化趨勢是完全同步的。太陽黑子數量越 多，太陽釋放出的能量也越多。因為我們知道太陽黑子是太陽表面上相對看上去較暗的區域，它的溫度低於周圍，因此這樣的結果多多少少有些出乎科學家們的預 料。

英國倫敦帝國學院的西蒙·福斯特（Simon Foster）表示：“這完全反過來了。這非常古怪，你的表面暗斑越多，溫度較低的區域越多，但太陽卻變得更熱了！”

但科學家們最終還是弄清了事情的原委。在太陽表面存在一些特殊的明亮區域，即所謂“光斑”（faculae），它們的數量變化趨勢與黑子的數量變化趨勢相對應——當黑子數量越多，光斑的數量也會相應增加，而它們會釋放更多的能量，從而造成太陽整體釋放能量的增加。

除了黑子之外，科學家們還會對另外一種名為“耀斑”的現象進行監測，這是從太陽表面出現的一種突發現象，會導致大量物質從太陽表面向外噴射，形成劇烈爆發。

宇宙燈塔

由於恆星會在各個電磁波段釋放輻射，一般科學家們會在X射線波段對耀斑進行監測。但當然還有其他手段，其中之一便是監聽來自太陽的無線電波信號——這本身也是一個電磁波段。

曼徹斯特大學的物理學家蒂姆·奧-布萊恩（Tim O"Brien）指出，設在英格蘭口徑巨大的焦德班克射電望遠鏡是世界上首個建成的類似設備，利用這台設備同樣可以開展太陽耀斑現象的監測。

事實上，射電望遠鏡非常適用於捕捉恆星在各個生命周期階段所釋放的各種信號線索。當一顆恆星行為“正常”，沒有過多的活動，那麼此時它生的無線電波信號應該是相當微弱的。然而在恆星誕生或即將死亡的時刻，都會釋放出極為強烈的無線電波信號。

奧-布萊恩表示：“我們所看到的都是活躍事件。我們目睹恆星的爆發、衝擊波和恆星風。”

射電望遠鏡還曾經幫助北愛爾蘭科學家喬斯琳·貝爾（Jocelyn Bell）發現了她的“小綠人”——也就是后來被證實的特殊天體脈衝星，這是一種特殊的中子星。

大質量恆星在超新星爆發現象中宣告死亡，它死亡后留下的緻密內核殘骸就是中子星。而脈衝星是從兩極地區發射出兩束強烈電磁輻射波束的中子星，當這樣的定向波束恰好掃過地球方向時，它的電磁信號就能夠被射電望遠鏡捕捉到。

這樣的脈衝信號極具規律性，頻率精度誤差不超過幾個毫秒，以至於一開始接收到這樣的信號時，很多科學家都猜想這是否有可能是外星智慧生命給地球發出的聯絡信號。

但隨更多脈衝星案例的發現，目前天文學界已經基本達成共識，認為這類極為精準的脈衝信號是由於中子星的快速旋轉生的。

奧-布萊恩解釋道：“那些中子星會圍繞自己的自轉軸高速旋轉，由於噴流方向與自轉軸方向並不重合，因此中子星釋放的電磁脈衝束流也就會隨之周期性的掃過天空。如果恰好你的觀測視線正對這一脈衝波束方向，那麼你就能記錄到一個周期性極好的脈衝信號，就像宇宙中閃爍的燈塔。”

太陽的命運

一些恆星在死亡后注定會變成脈衝星。但我們的太陽几乎100%不可能會是這樣的命運，原因很簡單：太陽的質量太小了。由於質量過小，太陽在死亡時無法生超新星爆發那樣的劇烈爆炸現象。那麼太陽在數十億年后的命運究竟將如何演變？

通過對銀河系內其他恆星的觀測，我們了解到恆星的死亡方式有多種。然而考慮到我們對太陽質量大小的了解，並將這一數值與其他恆星案例進行對比，我們現在可以相當有把握地推定太陽未來的命運走向。

天文學家們非常確信，再過大約50億年，當臨近生命的終點前，太陽將會逐漸膨脹成為一顆紅巨星。此時太陽表面釋放的輻射強度將會減弱，因為此時太陽內部的氫核聚變“燃料”几乎已經耗盡了。因此，此時“稍稍減弱”之后太陽光線的頻率就會降低，波長變長，整個太陽看上去偏紅，因此被稱為“紅巨星”。

隨后，隨一系列的爆炸，太陽將逐漸失去它大部分物質，只留下一個碳核，几乎就是一個地球那麼大的巨大鑽石。在接下來的數萬億年裏，這顆白矮星將逐漸冷卻，消失在視野之中。

但關於太陽我們仍然有許多問題沒有搞清楚，而為了搞清楚這些問題，當前科學家們也正在規劃多項令人興奮的太陽探測計劃。

其中的計劃之一名為“太陽探測器+”（Solar Probe Plus），該探測器計劃史無前例地接近太陽，從而能夠對太陽風開展進一步研究，並試圖弄清為何太陽最外側的大氣——日冕的溫度反而要比內層大氣的溫度更高的原因。

但不管如何，今天的我們已經能夠回答關於太陽的一系列重要問題。通過將太陽光線分解為單色光譜，通過在地下實驗室中捕捉來自太陽核心的中微子，我們已經在通往揭開太陽謎團的道路上走出很遠的距離。

我們也已經弄清楚了恆星的物質組成，它們生能量的機制，並意識到恆星在其生命周期內生的各種元素如何塑造了地球上豐富多彩的生命。

此時此刻，我的耳畔迴響起小時候的那首19世紀的童：“Twinkle, twinkle, little star，how I wonder what you are.”（一閃一閃小星星，我想知道你是什麼。）200多年后的今天，我們終於可以感到欣慰：對於這個問題，我們已經找到了答案。（晨風）