透過研究聲波科學家得以更精確地探索太陽的內部結構
科學家們發展出一種開創性的方法,利用日光地震學測量極端條件下的太陽輻射不透明度。這項創新方法發表在《自然通訊》上,它不僅凸顯了我們對原子物理學理解的差距,也證實了最近的實驗發現。這些進展為天文物理學和核子物理學帶來了令人興奮的新可能性。

SOHO 的EIT(極紫外線成像望遠鏡)以多種波長對太陽大氣進行成像,因此可以顯示不同溫度下的太陽物質。在304 埃的圖像中,明亮物質的溫度在6 萬到8 萬K 之間。在171 埃拍攝的影像中,亮度為100 萬開爾文。 195 埃的圖像對應約150 萬開爾文。溫度越高,在太陽大氣中的位置越高。資料來源:SOHO儀器聯盟
透過聲波探測太陽內部
日震學是對太陽聲波振盪的研究,它使科學家能夠非常精確地探索恆星的內部結構。透過分析這些聲波,研究人員可以確定太陽等離子體的關鍵屬性,包括其密度、溫度和化學成分。這些洞察力對於了解太陽如何運作和隨時間演變至關重要。這種方法基本上把太陽變成了一個天然的天文物理實驗室,為完善恆星模型和加深我們對整個宇宙恆星形成和演化的了解提供了重要數據。

太陽解剖圖。圖片來源:歐空局
對太陽輻射不透明性的新認識
在最近由列日大學的Gaël Buldgen領導的一項國際研究中,科學家們應用日震技術獨立測量了太陽深層等離子體是如何吸收高能量輻射的。這項開創性的研究為了解太陽輻射不透明度提供了新的視角,這是了解物質和輻射如何在太陽內核極端條件下相互作用的關鍵因素。
研究結果與桑迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratories)等著名機構的觀測結果以及利弗莫爾國家實驗室(Livermore National Laboratory)正在進行的研究相吻合,同時也凸顯了我們對原子物理學理解的差距。值得注意的是,這項研究揭示了洛斯阿拉莫斯國家實驗室、俄亥俄州立大學和法國巴黎薩克雷CEA 研究中心的研究團隊在理論預測上的差異,並強調了進一步研究的必要性。

歐空局的”柏拉圖”(Plato)任務,即”恆星的行星凌日和振盪”(PLAnetary Transits and Oscillations of stars),將利用其26台照相機對位於類太陽恆星宜居帶以內軌道上的系外行星進行研究。任務將發現系外行星的大小,並發現它們周圍的外氣雲和星環。柏拉圖號也將透過研究其接收到的星光中的微小光變來確定其宿主恆星的特徵。圖片來源:歐空局
前所未有的恆星建模精度
科研團隊利用ULiège大學在日震學和恆星建模方面的專業知識,使用了該校開發的先進數值工具。 Gaël Buldgen 解釋說:”透過以無與倫比的精度探測太陽聲波,我們可以重建恆星的內部特性,就像我們從樂器發出的聲音推斷出樂器的特性一樣。”
日震測量的精確度非同一般:它們讓我們能夠估算出太陽內部一立方厘米物質的質量,精確度超過了高精度廚房秤,而無需看到或接觸物質。太陽活動學發展於二十世紀末,在推進基礎物理學方面發揮了重要作用。特別是,它為中微子振盪等重大發現做出了貢獻,這些發現獲得了2015年諾貝爾獎的認可。這些進展表明,這現象的起源不能歸咎於太陽模型。不過,隨著2009 年太陽化學成分的修訂(2021 年得到確認),仍需要做出調整。這次修訂為太陽模型帶來了危機,因為太陽模型不再與日震觀測結果一致。
为了应对这一挑战,列日大学开发了先进的工具,最初是作为博士工作的一部分,后来通过在伯明翰和日内瓦的国际合作得到了丰富。 这些工具使我们有可能重新审视太阳的内部热力学条件,并重新探讨科学界曾一度忽视的问题。 与此同时,桑迪亚国家实验室的詹姆斯-贝利(James Bailey)在2015年开展的工作凸显了辐射不透明度的关键作用。 最初的实验测量结果显示与理论预测存在显著差异,因此受到了一些质疑。

Z 機器是世界上最大的X 射線發生器,位於新墨西哥州阿爾伯克基市。作為20 世紀60 年代開始在桑迪亞國家實驗室實施的脈衝功率計劃的一部分,Z 機器集中電能並將其轉化為巨大能量的短脈衝,然後用於產生X 射線和伽馬射線。資料來源:蘭迪-蒙托亞/桑迪亞國家實驗室
指導未來的實驗和研究
今天的日震測量提供了寶貴的證實,並使我們有可能明確這些實驗應集中在哪些溫度、密度和能量區,以便更好地再現太陽條件。此外,Z 機器實驗雖然極具價值,但其能源和財務成本卻令人望而卻步。另一方面,日震測量提供了一種經濟的補充選擇,同時也能引導實驗人員找到實驗室測量的最佳窗口。
這項研究的意義遠遠超出了恆星建模。它提高了用於估算恆星和系外行星年齡和質量的理論模型的準確性,從而有助於我們對銀河系演化和恆星群的理解。
“太陽是我們恆星演化的重要校準器,是我們發現我們是否走在正確軌道上的首選實驗室。當我們準備於2026年發射PLATO衛星時,這些結果就顯得更加重要了,該衛星的目標之一是準確描述太陽型恆星的特徵,以找到適合居住的陸地行星。說:”增進我們對太陽內部條件的了解直接影響到核融合能源研究,這是開發清潔能源解決方案的關鍵問題。”
這些結果突顯了改進現有原子模型的必要性,以解決實驗觀測和理論計算之間的差異。這些進展將重新定義我們對恆星演化以及支配恆星結構和演化的物理過程的理解。這項研究證實了列日大學在天文物理科學前沿的地位,證明了日輻射能學在揭開宇宙奧秘方面的關鍵作用。
編譯自/ ScitechDaily