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.

Огромная сфера-детектор

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.