在地底深处一窥太阳发光之谜

　　太阳持续发光发热的核反应机制早在将近一百年前就有了，其中一种＂质子-质子链＂很早就有观测证据，另一种＂碳氮氧循环＂则一直到了现在才终于被证实。完成这项成就的是位于意大利的＂波列西诺微中子探测器＂。微中子是一种很难与其它物质起反应的粒子，是太阳内部的核融合的生成物之一，地球上的我们有机会利用太阳微中子来了解太阳内部的性质。微中子探测非常困难，为了要尽可能隔绝掉噪声，波列西诺探测器深埋在地底下、包在不锈钢壳里面。这项研究成果证实了一个将近一百年的理论，也让我们对太阳、恒星有了更进一步的理解。
　　太阳内部的能量来源：＂质子-质子链＂与＂碳氮氧循环＂
　　恒星能够产生能量、发光发热是因为内部的核融合反应，主要的反应是将4个氢核融合为氦。
　　氢有1颗核子（1颗质子）、氦则有4颗核子（2颗质子、2颗中子），因此这个反应主要就是从1颗核子逐步累积成4颗的过程。可以分成＂质子-质子链（p-pchain）＂与＂碳氮氧循环（CNOcycle）＂两大类。举个生活中的例子：就像是从西安要到北京，可以坐飞机、也可以坐高铁、搭火车。虽然同样都能抵达目的地，依据当时的状态不同，选择的方法也不一定相同。自己开车虽然方便，但是逢年过节的话，可能会堵车塞很久，不想要在路上耗费心神的人可能就会选择高铁。
　　恒星内部的反应也是一样的，同一时间虽很多氢核融合成氦，有一些会是是＂质子-质子链＂反应，也有一些会是＂碳氮氧循环＂反应。数量比例会跟当下恒星的状态（如温度、压力等）有关。
　　＂质子-质子链＂反应有几种不同的分支，占大多数的途径是从2颗质子相撞结合（2颗核子）开始，接着再撞击捕获一颗质子形成氦的同位素（3颗核子）。接下来让两个氦同位素相撞、放出2颗质子后，就会生成具有4颗核子的氦。这个＂质子-质子链＂的机制大约要在温度4百万度左右才会开始启动，低质量恒星当中的核反应大部分都由＂质子-质子链＂来主导，我们的太阳主要就是靠这个反应在产生能量的。
　　＂碳氮氧循环＂又称为＂贝斯-魏茨泽克-循环（Bethe-Weizsäcker-cycle）＂。整个过程由碳捕获质子2次、生成氮开始，再融合1次质子生成氧，最后再融合一次质子后，就可以分裂成1个碳以及1个氦。整个净反应一样是4个氢变成1个氦，碳、氮、氧的功能是加速这个反应、作为这个反应的催化剂，反应前后的数量都是一样的。＂碳氮氧循环＂需要的温度比＂质子-质子链＂更高，要到1千5百万度左右才会启动，这个反应转换能量的速度非常快，恒星内部温度如果到了1千7百万度以上，＂碳氮氧循环＂就会成为恒星主要的能量释放来源。
　　图1
　　图1：（左）＂质子-质子链（p-pchain）＂与（右）＂碳氮氧循环（CNOcycle）＂的反应示意图波列西诺微中子探测器与＂碳氮氧循环＂的观测
　　恒星内部核融合的理论将近一百年前就已经有了，但是要怎么实验证明太阳内部真的有这些反应呢？我们当然不可能真的看到核反应的过程，但是我们可以观察这些反应的其他产物。这些核反应会放出伽玛射线以及微中子，微中子不带电，而且几乎不与其他的物质起反应，因此在经由核融合反应产生之后，可以从太阳的内部跑出来，地球上的我们也就有机会藉由捕捉这些＂太阳微中子＂来证实太阳内部真的有这些核反应。
　　微中子本身的测量非常不容易。前面说到微中子几乎不与其他物质起反应，这就代表它们也很难被地球上的侦测器观测到，需要非常精密的仪器才能够将各种噪声过滤掉。就算我们观测到了太阳微中子，我们也不太可能真的区分每一个太阳微中子到底是从哪一个反应产生的。我们做的是测量微中子的能谱（不同能量的微中子有多少流量），接着比较实验结果和各种理论模型，来找出哪些模型是合理的。这件事情困难的地方在于：太阳内部生成微中子的方法不是只有氢燃烧成氦而已，还有其他的核反应，模型愈多、比较起来就愈困难。另外也需要非常大量的统计数据，才能将太阳微中子的能量分布尽可能量测好。
　　由对太阳的观测，人们很早就证实了太阳内部＂质子-质子链＂反应的存在。然而＂碳氮氧循环＂却一直没有办法观测到。根据理论模型的推估，＂碳氮氧循环＂只占了太阳发光能量的百分之一左右，这也增加了侦测的困难。而终于在2020年末，意大利的波列西诺微中子探测器（BorexinoNeutrinoDetector）的研究团队终于观测找到了＂碳氮氧循环＂所生成的微中子！
　　图2
　　图2：波列西诺微中子探测器透视模型。最外层是不锈钢外壳。中间是不锈钢球壳，上面像刺一样的是光电倍增管。最里面透明那层是尼龙，里面装的是液态闪烁器。
　　波列西诺微中子探测器主要针对的是低能量的微中子。它被建造在地底深处，最外层是用不锈钢制作的，里面则灌满了水。水中放了一颗巨大的不锈钢球，这些设计都是为了要隔绝来自外界的杂讯。不锈钢球里面放了用透明尼龙布包装起来的液态的闪烁器（scintillator），如果有微中子通过闪烁器、并将内部电子散射出来的话，闪烁器就会放出微弱的光。不锈钢球壳上则放满朝向内部的光电倍增管，可以将闪烁器发出的微弱光芒转换成电的信号、进入后端让电脑来分析。这些数据能让我们还原出一开始那颗微中子的能量。
　　图3
　　图3：波列西诺微中子探测器第二层不锈钢层内部的样貌。腔壁上每一根＂喇叭＂都是光电倍增管。
　　这项研究结果对太阳相关的研究来说意义重大，一方面证实了这个早在1937年就已经提出来了的理论，让我们对太阳发光更加的理解。另一方面，由于＂碳氮氧循环＂的反应过程牵涉到碳、氮、氧等重元素，可以帮助我们了解太阳内部的化学性质、进而让我们对恒星有更多的理解。微中子虽然侦测不易，但却能从宇宙中带给我们相当丰富的信息。波列西诺微中子探测器还在不断地升级、改良当中，期待它未来能带给我们更多发现。