太阳是由什么构成的,太阳的构成是什么

和处于全盛时期的其他恒星一样，太阳主要由氢原子构成。四个氢原子聚变成一个氦原子，在此过程中释放出巨大的能量。但太阳还含有极少数更重的元素，科学家称之为金属元素，它们掌控着太阳的命运。

“哪怕是极少数的金属，也足以彻底改变恒星的行为。”研究太阳“金属丰度”的斯德哥尔摩大学物理学家桑尼·瓦尼奥奇（Sunny Vagnozzi）说。恒星的金属含量越高，不透明度就越大（因为金属会吸收辐射），而不透明度又与恒星的大小、温度、亮度、寿命和其他重要属性有关。“基本上来说，金属丰度也透露了恒星的死亡方式。”瓦尼奥奇说。

除了述说太阳自己的故事以外，太阳的金属丰度还可以作为一把尺子，用来校准测量其他恒星的金属丰度，以及恒星、星系和一切天体的年龄、温度和其他属性。

“如果太阳这把尺子发生改变，这意味着我们对宇宙的理解也必须改变。”澳大利亚国立大学天体物理学家马丁·阿斯普罗德（Martin Asplund）说，“所以，对太阳的化学成分有一个准确的认识，这极为重要。”

然而，对太阳金属丰度的测量虽然越来越准确，带来的疑问却比解决的疑问更多。天文学家无法解决太阳金属丰度的谜题（又称太阳成分或者太阳模型问题），这说明他们对太阳的认识也许存在“根本性错误”，从而可能影响到对所有恒星的认知。瓦尼奥奇说，“后果很严重。”

20年前，天文学家以为他们已经弄懂了太阳。通过直接和间接测量，科学家得出的太阳金属丰度均为1.8%左右。这种测量结果的一致性使他们相信，他们不仅知道了太阳这把尺子的长度，还知道了太阳的运作方式。

然而，在21世纪前10年，越来越精确的阳光光谱测量法（测量太阳成分的直接方法）得出了低得多的结果，只有1.3%。同时，日震学测量法（测量太阳金属丰度的间接方法，根据不同频率的声波在太阳内部的传播方式进行测量）仍然说是1.8%。

如果天文学家的太阳理论（被称为“标准太阳模型”）是正确的，那么，光谱测量法和日震学测量法应该得出相同的结果。也就是说，天文学家应该能够利用日震学测量法，来计算太阳内部一个重要边界层（辐射区和对流区的交界处）的厚度。

根据等式，这一层的厚度与太阳的不透明度有关，因而与金属丰度有关。这一连串计算得出的金属丰度值，理应和分光镜从阳光中得出的直接测量结果相吻合。但实际上却不是这样。

“这对太阳物理和整个天文学界而言都是个问题。”领导光谱测量团队的阿斯普罗德说，“要么是因为天文学家不明白如何利用光谱测量法来测量恒星的元素丰度，要么是我们还不够了解恒星的内部情况和运行方式。”他说，“无论如何，这是个严重的问题，因为恒星是我们认识宇宙的基本途径，恒星物理学奠定了现代天文学和宇宙学的很大一部分基础。”

耶鲁大学太阳物理学家萨巴尼·巴苏（Sarbani Basu）说，对哪里可能出错进行了多年探讨之后（包括猜测太阳内部可能存在暗物质），这场争论已经“有点陷入僵局”。但真相仍然有可能浮现。

最近，科学家通过研究太阳中微子，发现了关于太阳金属丰度的一个隐晦线索。不同的核聚变反应会产生不同能量的太阳中微子，因此这些粒子携带了关于太阳成分的信息。今年6月，科学家在意大利格兰萨索国家实验室进行的实验表明，对太阳中微子的探测结果稍微倾向于1.8%的太阳金属丰度估值。

如果这个金属丰度估值确实是正确的，那么阿斯普罗德团队的光谱测量到底错在哪里？“如果是光谱学出了问题，那我们在分析其他恒星时，可能也犯了同样的错误。”他说。这会影响到对恒星和星系化学演化的阐释。

但阿斯普罗德坚持认为，1.3%的光谱测量结果是正确的。他指出，2015年发表于《自然》杂志的一项研究显示，在太阳内核的高压环境中，金属对不透明度的影响程度可能超过我们的预料。他说，在标准太阳模型中校正这种差异后，对金属丰度的日震学和中微子测量结果都会降至1.3%。

格兰萨索实验室的团队希望，他们将来能探测到碳氮氧循环中产生的一种罕见的太阳中微子。碳氮氧循环是太阳内部的一种聚变反应，以碳、氮和氧原子作为氢聚变成氦的催化剂。“碳氮氧循环产生的中微子受到金属丰度的影响很大，所以对这些中微子的测量结果具有决定性意义。”马萨诸塞大学安姆斯特分校物理学家安德里亚·波卡尔（Andrea Pocar）说。

如果太阳真的只含有1.3%的金属，这意味着，标准太阳模型在不透明度方面存在错误。“这会影响到天文学的方方面面。”阿斯普罗德说，“因为对恒星演化的准确认识，几乎奠定了所有一切的基础。”届时，对恒星和星系年龄的估计将不得不进行10%至15%的调整。

对太阳本身以及地球上的未来生命来说，坏消息是，金属丰度低的恒星比金属丰度高的恒星燃烧得更快，所以，太阳的寿命要比我们预想的短十亿年。

翻译：于波

校对：李莉

编辑：漫倩

来源：Quanta Magazine

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