Przejdź do treści

Obserwacyjne potwierdzenie istnienia cyklu CNO w Słońcu

Zdjęcie centralnego balonu nylonowego detektora neutrin Borexino zawierającego 280 ton specjalnej cieczy scyntalacyjnej. Źródło: Borexino Collaboration.

Zespół około 100 naukowców z Włoch, USA, Niemiec, Rosji i Polski współpracujących w ramach projektu Borexino opublikował w prestiżowym czasopiśmie „Nature” artykuł o detekcji unikalnych neutrin słonecznych. Po raz pierwszy zarejestrowano neutrina powstające w cyklu reakcji jądrowych węglowo-azotowo-tlenowych (CNO). Słońce jest pierwszą gwiazdą, w której doświadczanie potwierdzono istnienie takich neutrin. W tych badaniach bierze udział również czwórka polskich naukowców z Instytutu Fizyki UJ: Anna Jany, Marcin Misiaszek, Marcin Wojcik i Grzegorz Zuzel.

Wszystkie gwiazdy – w tym nasze Słońce – są zasilane energią syntezy wodoru w cięższe pierwiastki. Synteza termojądrowa sprawia, że gwiazdy nie tylko świecą, ale też są głównym źródłem pierwiastków chemicznych, z których jest zbudowany świat wokół nas. Nasza wiedza o syntezie pierwiastków w gwiazdach pochodzi głównie z teoretycznych modeli jąder atomowych, ale ostatnio również z obserwacji neutrin wytwarzanych we wnętrzu Słońca.

Ilekroć jądra atomowe łączą się we wnętrzu Słońca, to oprócz wysokoenergetycznych fotonów promieniowania gamma powstają neutrina. Fotony promieniowania gamma rozgrzewają wnętrze Słońca. Stopniowo rozdrabniają się na mniej energetyczne fotony i dyfundują na zewnątrz, by głównie jako kwanty światła widzialnego wydostać się ze Słońca po setkach tysięcy lat. Natomiast bardzo przenikliwe neutrina uciekają z wnętrza Słońca natychmiast z prędkością bliską prędkości światła.

Gdyby teoretycznie nagle w Słońcu przestała zachodzić syntezy termojądrowa – zauważylibyśmy to po 8 minutach i 20 sekundach. Neutrina są cząstkami elementarnymi o ekstremalnie małej masie i poruszają się z prędkością bliską prędkości światła. Szacuje się że masa spoczynkowa neutrin jest mniejsza od 0.28 eV (elektronowolt – jednostka energii). Dla porównania elektron „waży” około 511000 eV w układ odniesienia, w którym się nie porusza.

Słoneczne neutrina odkryto w latach 60-tych ubiegłego wieku. Ale wtedy można było tylko stwierdzić, że pochodzą ze Słońca. Był to dowód, że w Słońcu zachodzą reakcje syntezy jądrowej. Ale nie można było określić rodzaju tych reakcji.

Zgodnie z teorią, w Słońcu głównym typem reakcji syntezy powinno być łączenie się protonów w hel (proton = jądro atomu wodoru). Ten rodzaj reakcji syntezy jądrowej jest nazywany cyklem pp (proton-proton). Dla masywniejszych gwiazd, w których jądrach są wyższe temperatury i gęstości, dominującym źródłem energii jest cykl przemian jądrowych zwany CNO. W tym cyklu wykorzystuje się wodór w sekwencji reakcji jądrowych z węglem, azotem i tlenem, by powstał hel. Częściowo jest to powód, dlaczego oprócz wodoru i helu – pierwiastki C, N, O są tymi, które występują w największej obfitości we Wszechświecie.

 

Graficzne przedstawienie cykli proton-proton (PP), CNO i 3 ALFA (triple α) produkcji energii w jądrach gwiazd. Cykle PP i CNO dotyczą spalania wodoru, a 3 alfa - helu. Cykl CNO włącza się przy wyższych temperaturach niż PP. Wykres przedstawia logarytmiczną zależność względnej produkcji energii (ε) od temperatury (T) dla reakcji syntezy jądrowej (cykli) PP, CNO i 3 ALFA. Przerywana linia reprezentuje sumę energii produkowaną w cyklu PP i CNO. Przy temperaturach panujących we wnętrzu Słońca (ang. „Sun”) najwydajniejszym źródłem energii jest cykl PP (cykl CNO produkuje tylko ~1% energii słonecznej). Źródło: Wikipedia - R.J.Hall

Graficzne przedstawienie cykli proton-proton (PP), CNO i 3 ALFA (triple α) produkcji energii w jądrach gwiazd. Cykle PP i CNO dotyczą spalania wodoru, a 3 alfa - helu. Cykl CNO włącza się przy wyższych temperaturach niż PP.
Wykres przedstawia logarytmiczną zależność względnej produkcji energii (ε) od temperatury (T) dla reakcji syntezy jądrowej (cykli) PP, CNO i 3 ALFA. Przerywana linia reprezentuje sumę energii produkowaną w cyklu PP i CNO. Przy temperaturach panujących we wnętrzu Słońca (ang. „Sun”) najwydajniejszym źródłem energii jest cykl PP (cykl CNO produkuje tylko ~1% energii słonecznej). Źródło: Wikipedia - R.J.Hall.

 

W ciągu ostatnich 10 lat detektory (teleskopy) neutrinowe stały się efektywniejsze. Są one w stanie zmierzyć nie tylko kierunek i energię neutrin, ale również ich kwantowe stany zapachowe (neutrino elektronowe, neutrino mionowe, neutrino taonowe). Obecnie wiemy, że neutrina zaobserwowane we wczesnych eksperymentach nie powstały w wyniku reakcji pp, ale wtórnych przemian jądrowych takich jak rozpad jąder boru 8B. Te reakcje jądrowe wytwarzają neutrina o większych energiach, które są łatwiejsze do detekcji (patrz rysunek poniżej).

 

Energia w keV emitowana przez neutrina słoneczne pochodzące z reakcji jądrowych takich jak: proton-proton (pp), proton-elektron-proton (pep), 7Be, 8B i innych. Szare pasma u góry po prawej reprezentują zakres energii neutrin (w keV), które mogą zarejestrować następujące teleskopy neutrinowe: Borexino, Super-Kamiokande i SNO (Sudbury Neutrino Observatory). Proszę zauważyć, że tylko teleskop Borexino może zaobserwować wszystkie rodzaje neutrin produkowanych przez Słońce (na rysunku zaznaczono ciągłymi liniami oczekiwane strumienie neutrin słonecznych w skali logarytmicznej dla modelu teoretycznego Słońca). Teleskopy Super-Kamiokande i SNO mogą zaobserwować tylko ~0.2% całkowitej ich liczby. Źródło: Wikipedia

Energia w keV emitowana przez neutrina słoneczne pochodzące z reakcji jądrowych takich jak: proton-proton (pp), proton-elektron-proton (pep), 7Be, 8B i innych. Szare pasma u góry po prawej reprezentują zakres energii neutrin (w keV), które mogą zarejestrować następujące teleskopy neutrinowe: Borexino, Super-Kamiokande i SNO (Sudbury Neutrino Observatory). Proszę zauważyć, że tylko teleskop Borexino może zaobserwować wszystkie rodzaje neutrin produkowanych przez Słońce (na rysunku zaznaczono ciągłymi liniami oczekiwane strumienie neutrin słonecznych w skali logarytmicznej dla modelu teoretycznego Słońca). Teleskopy Super-Kamiokande i SNO mogą zaobserwować tylko ~0.2% całkowitej ich liczby. Źródło: Wikipedia.

 

Dopiero w 2014 roku zespół naukowców-uczestników projektu Borexino zarejestrował neutrina o niskiej energii, które są produkowane przez cykl pp. Ich obserwacje potwierdziły, że 99% energii Słońca jest generowana przez fuzję proton-proton.

Jednym z głównych wyzwań przy detekcji neutrin produkowanych przez cykl CNO okazało się to, że są one ukryte w szumie pochodzenia ziemskiego. Synteza jądrowa nie występuje na Ziemi w sposób naturalny. Ale niski poziom radioaktywnych rozpadów promieniotwórczych w skałach może wzbudzać detektor neutrinowy Borexino w podobny sposób jak neutrina z cyklu CNO na Słońcu. Dlatego badacze musieli stworzyć wyrafinowany system analizy sygnałów, by wyfiltrować fałszywe detekcje pochodzenia ziemskiego. W publikacji zostało potwierdzone, że w Słońcu liczba neutrin generowana w cyklu CNO jest zgodna z modelem teoretycznym.

Cykl CNO daje tylko minimalną ilość energii w Słońcu (~1%). Ale jest bardzo istotny dla ewolucji gwiazd masywniejszych od Słońca. Najnowsza publikacja zespołu Borexino pomoże lepiej zrozumieć cykle przemian jądrowych gwiazd masywniejszych od Słońca i pochodzenie cięższych pierwiastków, które sprawiają, że życie na Ziemi jest możliwe.


Opracowanie: Ryszard Biernikowicz


Więcej informacji:


Publikacja naukowa:The Borexino Collaboration „Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun
ArXiv (wersja bezpłatna): First Direct Experimental Evidence of CNO neutrinos

Neutrinos Yield First Experimental Evidence of Catalyzed Fusion Dominant in Many Stars

Solar CNO neutrinos observed for the first time

Neutrinos prove the Sun is doing a second kind of fusion in its core

Recent Neutrino Detection Proves the Sun is Undergoing a Second Kind of Fusion in its Core


Źródło: Universetoday

Na ilustracji zdjęcie centralnego balonu nylonowego detektora neutrin Borexino zawierającego 280 ton specjalnej cieczy scyntalacyjnej. Źródło: Borexino Collaboration.

Reklama