Dodano: 27 listopad 2020r.

Jak Słońce produkuje energię? Potwierdzono istnienie mechanizmu przewidywanego 80 lat temu

Międzynarodowy zespół naukowców poinformował o wykryciu słonecznych neutrin wskazujących na produkcje energii w cyklu węglowo-azotowo-tlenowym (CNO). Ten cykl jest dominującym źródłem energii napędzającym gwiazdy cięższe od Słońca, ale do tej pory nie został on bezpośrednio wykryty w żadnej z gwiazd. W badaniach brali udział fizycy z Uniwersytetu Jagiellońskiego.

Jak Słońce produkuje energię? Potwierdzono istnienie mechanizmu przewidywanego 80 lat temu

 

Przez większą część swojego życia gwiazdy uzyskują energię zmieniając wodór w hel. W gwiazdach takich jak nasze Słońce dzieje się to głównie za pośrednictwem tzw. cyklu PP (proton-proton). Jednak wiele gwiazd cięższych i gorętszych niż nasze Słońce i zawiera w swoim składzie pierwiastki cięższe od helu. To tzw. metaliczność. Od lat 30. ubiegłego wieku naukowcy przewidywali, że w cięższych od Słońca gwiazdach dominującym cyklem generującym energię jest cykl CNO, czyli cykl węglowo-azotowo-tlenowy. I to właśnie udało się potwierdzić. Po raz pierwszy zarejestrowano neutrina z cyklu CNO.

Jak gwiazdy generują energię?

Życie na Ziemi możliwe jest m.in. dzięki obecności światła i ciepła ze Słońca. A energię Słońca zawdzięczamy zachodzącej tam fuzji jądrowej. W wyniku tej fuzji jądra najlżejszego pierwiastka - wodoru - łączą się tworząc jądro cięższego pierwiastka - helu, przy okazji uwalniając cząstki niosące dużo energii. Taka fuzja jądrowa na Słońcu może zachodzić na dwa sposoby: w tzw. cyklu PP (proton-proton), w którym produkowane jest 99 procent energii słonecznej. A drugą możliwością jest tzw. cykl CNO, gdzie powstanie helu jest możliwe przy obecności innych pierwiastków: węgla, azotu i tlenu, które odgrywają tam rolę katalizatora. I właśnie ten cykl został zarejestrowany.

W badaniach opublikowanych na łamach „Nature” wzięło udział ponad 100 naukowców z całego świata zrzeszonych w projekcie BOREXINO, w tym uczeni z Uniwersytetu Jagiellońskiego. Jak przekazali w komunikacie, neutrina emitowane w ramach procesów CNO mają sygnaturę widmową umożliwiającą naukowcom odróżnienie je od tych generowanych w cyklu PP.

Istnienie cyklu CNO w Słońcu zostało przewidziane już w 1938 roku, niezależnie przez Hansa Bethego i Carla von Weizsaeckera. W tym cyklu, jądra węgla, azotu i tlenu miały odgrywać rolę katalizatorów w seriach reakcji jądrowych zachodzących w Słońcu, prowadzących do spalania wodoru do helu, równocześnie z fuzją wodoru w głównym cyklu PP.

Mimo pośredniej ewidencji wynikającej z obserwacji astronomicznych i astrofizycznych, bezpośrednie doświadczalne potwierdzenie produkcji energii w cyklu CNO w gwiazdach nie było łatwe. Dopiero zapoczątkowany przez R. Davisa w latach 60-tych ubiegłego wieku rozwój astronomii neutrinowej i jej spektakularne sukcesy w dziedzinie fizyki Słońca i fizyki cząstek elementarnych (trzy nagrody Nobla), umożliwił potwierdzenie występowania cyklu CNO w oparciu o emitowane w poszczególnych reakcjach neutrina.

- Potwierdzenie spalania CNO w naszym Słońcu, gdzie działa to tylko na poziomie około jednego proc., wzmacnia naszą pewność, że rozumiemy, jak działają gwiazdy – powiedział Andrea Pocar z University of Massachusetts Amherst, jeden z autorów publikacji.

Detektor BOREXINO

Eksperyment BOREXINO realizowany jest w Laboratorium Podziemnym w Gran Sasso włoskiego Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, które znajduje się głęboko pod Apeninami. Znajdujący się tam detektor wykrywa neutrina jako błyski światła powstające, gdy te zderzają się z elektronami znajdującymi się w 300 tonach tzw. ciekłego scyntylatora.

BOREXINO jest jedynym detektorem w swoim rodzaju. Neutrina da się zauważyć jedynie bardzo czułym sprzętem, a takim właśnie jest BOREXINO. Chodzi przede wszystkim o wyeliminowanie zakłóceń pochodzących z szumu tła, czyli takich sygnałów pochodzących z promieniowania kosmicznego lub naturalnej promieniotwórczości, które mogłyby przypominać neutrina. Dlatego też laboratorium znajduje się głęboko pod łańcuchem górskim. Gruba warstwa skał niweluje promieniowanie kosmiczne, a dla neutrin nie stanowi problemu.

Aby zminimalizować wpływ naturalnej promieniotwórczości, detektor BOREXINO został zbudowany w kształcie przypominającym cebulę; jego kolejne warstwy w kierunku środka odznaczają się coraz większą radio-czystością. 300 ton tzw. ciekłego scyntylatora, w których uczeni obserwują oddziaływania neutrin, jest praktycznie wolne od promieniotwórczości, co nigdy do tej pory nie zostało osiągnięte w żadnym innym eksperymencie i co otworzyło możliwość rejestracji neutrin typu CNO.

Projekt został zainicjowany na początku lat 90. przez grupę fizyków pod kierunkiem Gianpaolo Belliniego z Uniwersytetu w Mediolanie, Franka Calaprice'a z Princeton i nieżyjącego już Raju Raghavana z Bell Labs. Badania w eksperymencie BOREXINO rozpoczęto w 2007 roku. Dzięki detektorowi naukowcy szczegółowo zbadali główny mechanizm produkcji energii w Słońcu – tzw. cyklu PP, który rozpoczyna się od łączenia się dwóch protonów. Pomiar strumieni neutrin powstających w poszczególnych reakcjach termojądrowych pozwolił też odróżnić neutrina z cyklu PP od cyklu CNO, tym samym zespół BOREXINO dowiódł istnienia tego dodatkowego źródła energii słonecznej.

Udział polskich fizyków

- Ten niezwykle trudny do przeprowadzenia i mający ogromne znaczenie astrofizyczne pomiar, zamyka fascynujący rozdział badań, którego początki sięgają lat trzydziestych ubiegłego wieku - komentują w przesłanym Polskiej Agencji Prasowej komunikacie naukowcy z UJ zaangażowani w prace zespołu.

- Pierwszy bezpośredni i dokładny pomiar strumienia neutrin typu PP z podstawowej reakcji termojądrowej zachodzącej w naszej najbliższej gwieździe był ogromnym sukcesem, natomiast rejestracja neutrin z cyklu CNO jest zwieńczeniem naszych ponad 25-letnich badań nad neutrinami słonecznymi. Niezwykłą intelektualną przygodą jest uczestniczenie w potwierdzeniu fundamentalnych przewidywań związanych ze strukturą gwiazd – powiedział Marcin Wójcik, profesor Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie, laureat Nagrody Premiera RP za wybitne osiągnięcie naukowe związane z eksperymentem BOREXINO.

- Od 1994 roku grupa BOREXINO z Instytutu Fizyki UJ w Krakowie, uzyskując finansowanie w ramach kilku grantów NCN, odgrywała kluczową rolę w projektowaniu i budowie detektora oraz jego infrastruktury. We współpracy z Instytutem Fizyki Jądrowej im. Maxa Plancka w Heidelbergu i Uniwersytetem w Princeton uzyskaliśmy bezprecedensową czystość detektora ze względu na poziom zawartości izotopów promieniotwórczych” – podkreślił prof. Wójcik.

Eksperyment BOREXINO, który jest bliski finalizacji swojego programu naukowego, ujawnił w trakcie jego realizacji nie tylko szczegóły działania Słońca, lecz pozostawia w dziedzinie fizyki neutrin trwałe dziedzictwo poprzez obserwację po raz pierwszy neutrin z cyklu PP i CNO. - To rewolucyjne osiągnięcie uzyskane w oparciu o imponujący wysiłek eksperymentalny, pozostanie dla przyszłości jednym z fundamentalnych sukcesów w dziedzinie astrofizyki i fizyki cząstek elementarnych - komentują przedstawiciele zespołu w przesłanym PAP komunikacie.

 

Źródło: PAP, University of Massachusetts Amherst, fot. Borexino Collaboration/Maxim Gromov