Διείσδυση στον πυρήνα του Ήλιου με νετρίνα

Μελετώντας τα νετρίνα που παράγονται στον Ήλιο ως προϊόντα μιας σειράς πυρηνικών αντιδράσεων (κύκλος CNO), οι φυσικοί επανεκτίμησαν την χημική σύνθεση του πυρήνα του Ήλιου

 Μια αναπαράσταση του κύκλου CNO. Η διαδικασία ξεκινά από την πάνω αριστερή γωνία με έναν πυρήνα άνθρακα-12 που συντήκεται με πυρήνα υδρογόνου (στην ουσία ένα πρωτόνιο p) προς έναν πυρήνα αζώτου-13. Οι επόμενες αλληλεπιδράσεις παράγουν άλλους πυρήνες, με τελικό προϊόν να τον πυρήνα ηλίου-4. Στην πορεία παράγονται φωτόνια (γ), ποζιτρόνια (e+) και νετρίνα (ν).

Τα ηλιακά νετρίνα παράγονται ως προϊόντα των πυρηνικών αντιδράσεων σύντηξης στον πυρήνα του Ήλιου. Οι μετρήσεις των ηλιακών νετρίνων έχουν δώσει πληροφορίες σχετικά με τη θερμοκρασία και την πυκνότητα στο εσωτερικό του Ήλιου, αλλά υπάρχουν ακόμα αβεβαιότητες σχετικά με την χημική του σύσταση. Η ερευνητική ομάδα που χειρίζεται τον ανιχνευτή νετρίνων Borexino δημοσίευσε τα νέα αποτελέσματα των μετρήσεων ροής των νετρίνων που παράγονται από τον λεγόμενο κύκλο καύσης υδρογόνου CNO στον Ήλιο. Αυτός ο κύκλος – ο οποίος απαιτεί την παρουσία άνθρακα (C), αζώτου (N) και οξυγόνου (O) – παράγει νετρίνα που ‘μεταφέρουν’ πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητες του εσωτερικού του Ήλιου. Η μέτρηση αυτών των νετρίνων, παρέχει πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με αφθονία των στοιχείων στο εσωτερικό του Ήλιου, φέρνοντάς μας πιο κοντά στην επίλυση μιας διαμάχης που μαστίζει την ηλιακή φυσική για περισσότερα από 20 χρόνια.

Τα άστρα ξοδεύουν περίπου το 90% της ζωής τους συντήκοντας υδρογόνο σε ήλιο, παράγοντας και δύο νετρίνα σ’ αυτή τη διαδικασία. O κύκλος πρωτονίου – πρωτονίου (pp) – και ο κύκλος CNO είναι οι δύο βασικοί τρόποι με τους οποίους πραγματοποιείται η αστρική σύντηξη. Το αν σε ένα άστρο κυριαρχεί ο κύκλος pp ή ο κύκλος CNO εξαρτάται από τη θερμοκρασία του πυρήνα του, η οποία καθορίζεται κυρίως από τη μάζα του άστρου. Στον Ήλιο και παρόμοια άστρα χαμηλής μάζας, κύκλος pp παράγει σχεδόν όλη την πυρηνική ενέργεια, ενώ ο κύκλος CNO είναι η κύρια πηγή ενέργειας για άστρα με μεγαλύτερη μάζα. Ο κύκλος pp είναι μια σειρά πυρηνικών αντιδράσεων που δεν απαιτούν επιπλέον πυρήνες εκτός από το υδρογόνο ως καύσιμο. Αντίθετα, ο κύκλος CNO βασίζεται στην παρουσία πυρήνων C, N και O ως καταλύτες στην παραγωγή ηλίου. Στον Ήλιο, αυτή η καταλυτική διαδικασία εισάγει μια γραμμική εξάρτηση μεταξύ της ποσότητας των C, N και O και της ροής των νετρίνων από τον κύκλο CNO. Επομένως, τα νετρίνα CNO αποτελούν ένα ισχυρό εργαλείο για την ανίχνευση της χημικής σύνθεσης στον πυρήνα του Ήλιου.

Η γνώση της χημικής σύστασης του Ήλιου είναι σημαντική όχι μόνο για την ηλιακή φυσική αλλά για όλη την αστρονομία, καθώς η αφθονία των στοιχείων στον Ήλιο παρέχει έναν «χημικό κανόνα» για τη μέτρηση της στοιχειακής αφθονίας σε άλλα άστρα και νέφη αερίων. Υπήρξε, ωστόσο, μια μακροχρόνια διαμάχη γύρω από την ηλιακή αφθονία. Η κύρια τεχνική για τη μέτρηση της χημικής σύστασης του Ήλιου είναι η παρατήρηση των γραμμών απορρόφησης στο ηλιακό φάσμα. Οι πρώτες φασματοσκοπικές μελέτες βρήκαν σχετικά υψηλά επίπεδα στην περιεκτικότητα κρίσιμων στοιχείων όπως C, N και O, αλλά στις αρχές της δεκαετίας του 2000 προηγμένες τεχνικές άρχισαν να μετρούν αφθονίες που ήταν 30 έως 40% χαμηλότερες σε σχέση με τις αρχικές εκτιμήσεις. Όταν αυτές οι χαμηλότερες τιμές αφθονίας χρησιμοποιούνται ως δεδομένα στο καθιερωμένο ηλιακό πρότυπο (SSM) – το θεωρητικό πρότυπο για τον υπολογισμό της δομής και της εξέλιξης του Ήλιου – οι προβλέψεις διαφωνούν σημαντικά με τις ηλιοσεισμολογικές μετρήσεις της εσωτερικής δομής του Ήλιου. Από την άλλη πλευρά, εισάγοντας ως δεοδμένα τις παλαιότερες ηλιακές αφθονίες – οι οποίες βασίζονται σε απλοϊκή και ξεπερασμένη μοντελοποίηση – οδηγούν σε προβλέψεις του SSM που είναι σε καλή συμφωνία με τα δεδομένα ηλιοσεισμολογίας.

Γι αυτό το παράδοξο 20 ετών, που ονομάστηκε πρόβλημα ηλιακής αφθονίας, δεν είχε βρεθεί μια ικανοποιητική λύση. Οι πιο πρόσφατες φασματοσκοπικές μετρήσεις φαίνεται να κινούνται προς την καλύτερη συμφωνία με τις παρατηρήσεις της ηλιοσεισμολογίας. Παρόλα αυτά, οι επιστήμονες που ασχολούνται με την φυσική του Ήλιου αναζητούν εδώ και καιρό έναν ανεξάρτητο τρόπο μέτρησης της χημικής αφθονίας του Ήλιου. Και εδώ μπαίνουν στο παιχνίδι τα νετρίνα και τα νέα αποτελέσματα του ανιχνευτή Borexino.

Ο ανιχνευτής Birexino βρίσκεται κάτω από ένα βουνό στο Gran Sasso στην Ιταλία για να προστατεύεται από την κοσμική ακτινοβολία και μετρά το ενεργειακό φάσμα της ροής των ηλιακών νετρίνων σε πολύ χαμηλές ενέργειες (περίπου 100 keV), διαχωρίζοντας τις επιμέρους συνεισφορές που προέρχονται από διαφορετικές πυρηνικές αντιδράσεις στον πυρήνα του Ήλιου. Από την ανάλυση των δεδομένων της τελικής φάσης ΙΙΙ του πειράματος (Ιανουάριος 2017 έως Οκτώβριος 2021), μετρήθηκαν από τον ανιχνευτή 4,8 νετρίνα ανά ημέρα.

Η μέτρηση της ροής νετρίνων από τον κύκλο CNO μπορεί να μετατραπεί σε μια μέτρηση της αφθονίας C και N συμπεριλαμβάνοντας τις μετρήσεις μιας άλλης ροής νετρίνων: εκείνη που προκύπτει από τη διάσπαση του βορίου-8, η οποία εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία. Οι φυσικοί του Borexino χρησιμοποίησαν αυτή τη ροή για να προσδιορίσουν την θερμοκρασία του πυρήνα του Ήλιου με ακρίβεια περίπου 0,1%. Η ομάδα χρησιμοποίησε τη θερμοκρασία συτή για να συσχετίσει την ροή των νετρίνων CNO και των αφθονιών C, N και O, καταλήγοντας στο ίδιο αποτέλεσμα με τις πρώτες μετρήσεις της αφθονίας των στοιχείων στον πυρήνα του Ήλιου. Χρησιμοποιώντας μόνο τις μετρήσεις νετρίνων, αυτή η μεθοδολογία προσφέρει έναν πραγματικά ανεξάρτητο προσδιορισμό της ηλιακής σύνθεσης με τον οποίο μπορούν να συγκριθούν οι φασματοσκοπικοί προσδιορισμοί, νέοι και παλιοί. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο Ήλιος έχει υψηλές αφθονίες C, N και O, σε αντίθεση με τις εκτιμήσεις των υπερσύγχρονων φασματοσκοπικών μελετών (εκτός από μία).

Οι αντιδράσεις διαμέσου των οποίων παράγονται νετρίνα στο εσωτερικό του Ήλιου. Ο πίνακας δίνει επίσης την ενέργεια και την ροή αυτών των νετρίνων που φτάνουν στη Γη

Η απόκλιση μεταξύ της αφθονίας του πυρήνα που υπολογίζεται από το Borexino και των επιφανειακών αφθονιών που μετρήθηκαν με φασματοσκοπικές μελέτες μπορεί να υποδηλώνει ότι η χημική σύνθεση του Ήλιου ποικίλλει ανάλογα με το βάθος. Μια τέτοια ανομοιόμορφη κατανομή στοιχείων θα μπορούσε να εξηγηθεί, για παράδειγμα, από το γεγονός ότι ο Ήλιος σχηματίστηκεσε ένα ανομοιογενές περιβάλλον ή από το ότι τα εξωτερικά στρώματα του Ήλιου εμπλουτίστηκαν σε ορισμένα στοιχεία από την συσσώρευση πλανητικού υλικού.

Ο έλεγχος αυτών των υποθέσεων θα απαιτήσει πιο εκλεπτυσμένες μετρήσεις νετρίνων CNO. Δυστυχώς, το Borexino έκλεισε το 2021 και δεν υπάρχει προς το παρόν πείραμα που να μπορεί να παρατηρήσει ηλιακά νετρίνα σε αρκετά χαμηλές ενέργειες. Ωστόσο, το Borexino μας άφησε μια εντυπωσιακή κληρονομιά, καθώς οι μετρήσεις του για τη ροή νετρίων CNO και άλλων νετρίνων αντιπροσωπεύουν ορόσημα για μελλοντικά πειράματα νετρίνων. Η ομάδα του Borexino ανέπτυξε τεχνολογίες που είναι και θα είναι χρήσιμες σε άλλα πειράματα, όπως το πείραμα μετρίνων SNO+ στον Καναδά. Αναπτύχθηκαν επίσης τεχνικές ανάλυσης δεδομένων για αφαίρεση υποβάθρου που σίγουρα θα βρουν μελλοντικές εφαρμογές σε μελέτες νετρίνων καθώς και σε αναζητήσεις σκοτεινής ύλης. Δεν υπάρχουν ακόμη σχέδια για κάποιο συγκεκριμένο πείραμα ηλιακών νετρίνων, αλλά αν στηνόταν ένα πείραμα χρησιμοποιώντας την τεχνογνωσία που προσέφερε ο ανιχνευτής Borexino, θα είχε ένα λαμπρό μέλλον και θα παρείχε ανεκτίμητες πληροφορίες για τον Ήλιο.

πηγή: https://physics.aps.org/articles/v15/190



Κατηγορίες:ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΑΣΤΡΟΦΥΣΙΚΗ, ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ

Ετικέτες: , ,

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s

Ο ιστότοπος χρησιμοποιεί το Akismet για την εξάλειψη των ανεπιθύμητων σχολίων. Μάθετε πως επεξεργάζονται τα δεδομένα των σχολίων σας.

Αρέσει σε %d bloggers: