圖片來源：NASA

我們賴以生存的不僅僅是地球，還有距離我們1.5億公里的太陽。這顆帶給我們光和熱的恒星，也給天文學(xué)家們帶來了一個(gè)又一個(gè)謎團(tuán)。明白太陽的化學(xué)成分和運(yùn)作原理并不如想象中容易，一步走錯(cuò)，滿盤皆輸，影響會延伸到宇宙的每個(gè)角落。提前10億年走向死亡的太陽，推翻的將不僅是一個(gè)理論……

掌握太陽命運(yùn)的“金屬”

與任何一顆鼎盛時(shí)期的恒星一樣，太陽主要由氫和氦組成，氫原子兩兩聚變形成氦，釋放出巨大的能量。太陽中的重元素，即金屬（這個(gè)術(shù)語不同于一般所認(rèn)知的“金屬”，因?yàn)樵谟钪嬷袣浜秃さ慕M成量占了壓倒性的大數(shù)量，天文學(xué)家將所有更重的元素都視為金屬）含量雖微，卻掌控著太陽的命運(yùn)。

瑞典斯德哥爾摩大學(xué)（Stockholm University）研究太陽“金屬豐度（metallicity）”的物理學(xué)家薩尼·瓦尼奧奇（Sunny Vagnozzi）解釋道：“極少量的金屬就足以徹底改變恒星的行為。”

恒星的金屬豐度越高，不透明度就越高（因?yàn)榻饘贂蛰椛洌：阈堑牟煌该鞒潭确催^來又與它的大小、溫度、亮度、壽命等其他主要性質(zhì)有關(guān)。瓦尼奧奇說：“金屬豐度基本上也能告訴你這顆恒星將如何死去。”

但是太陽的金屬豐度，除了揭示它自己的故事，還能夠作為一種衡量其他恒星金屬豐度的標(biāo)尺，一窺宇宙中恒星、星系和其他一切星際物質(zhì)的性質(zhì)，比如年齡和溫度。

澳大利亞國立大學(xué)（Australian National University）的天體物理學(xué)家馬丁·阿斯普朗德（Martin Asplund）說道：“如果我們對這把標(biāo)尺做出了修正，就意味著我們對整個(gè)宇宙的理解也必須改變。因此對太陽化學(xué)成分的準(zhǔn)確掌握極為重要?！?/p>

相去甚遠(yuǎn)的測量結(jié)果

然而，隨著對太陽金屬豐度的測量越來越精準(zhǔn)，所得數(shù)據(jù)在解答天文學(xué)家相關(guān)疑問的同時(shí)，也給引發(fā)了更多的問題。

天文學(xué)家無法解釋諸如太陽的金屬豐度、物質(zhì)含量、化學(xué)成分、模型建立問題等謎團(tuán)，這意味著他們之前對太陽，乃至對所有恒星的理解可能都存在著“根本性偏差”。

瓦尼奧奇認(rèn)為：“后果將無法設(shè)想?！?/p>

二十年前，天文學(xué)家自認(rèn)為對太陽的理解足夠充分，直接和間接的測量結(jié)果都表明，太陽的金屬豐度在1.8%左右，多么令人欣慰的一致啊，天文學(xué)家們因此相信，他們不僅掌握了太陽這把標(biāo)尺的“長度”，更明晰了太陽運(yùn)作的秘密。

但從2000年至今，越來越精確的太陽光譜測量，即太陽成分的直接探測（因?yàn)槊恳环N元素都在會光譜中產(chǎn)生特征吸收線）表明，太陽的金屬豐度僅有1.3%，遠(yuǎn)低于之前的的測量結(jié)果。

太陽光譜（來源：baas1995.org）

而與此同時(shí)，日震學(xué)（helioseismology）作為一種間接測量方法，基于不同頻率聲波在太陽內(nèi)部傳播的方式，推斷出太陽的金屬豐度仍為1.8%。

兩種方法所得的結(jié)果竟相去甚遠(yuǎn)。

爭論陷入僵局

如果天文學(xué)家提出的太陽理論，即“標(biāo)準(zhǔn)太陽模型”是正確的，那光譜學(xué)和日震學(xué)結(jié)果就應(yīng)該一致，也就是說，利用日震學(xué)測量應(yīng)該能計(jì)算出太陽中對流大于輻射的邊界層深度。根據(jù)方程式，這一深度與不透明度相關(guān)，進(jìn)而計(jì)算出太陽的金屬豐度。這一系列的計(jì)算結(jié)果，應(yīng)該與太陽光譜測量的直接測量所得金屬豐度結(jié)果相同。

太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)（來源：kepu.net.cn）

事實(shí)卻并非如此。

領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行精確光譜測量的阿斯普朗德說：“這不僅是太陽物理學(xué)的問題，更是整個(gè)天文學(xué)的問題。要么天文學(xué)家不明白如何利用光譜學(xué)去測量恒星的元素豐度，要么我們對恒星內(nèi)部及其震蕩頻率的理解有所遺漏。無論如何，影響都是巨大的，因?yàn)楹阈鞘俏覀兲綔y宇宙的基本方式，恒星天體物理學(xué)為現(xiàn)代天文學(xué)和宇宙學(xué)奠定了深厚的基礎(chǔ)。”

耶魯大學(xué)（Yale University）的太陽天體物理學(xué)家薩巴尼·巴蘇（Sarbani Basu）表示，對可能出現(xiàn)的問題（包括太陽內(nèi)部可能存在暗物質(zhì)的猜測）探討多年之后，這場爭論已“陷入了一種僵局”。

隱晦的希望

但希望仍存。最近，太陽中微子（solar neutrino），一種來自太陽的壽命極短的粒子，為太陽金屬豐度的測量提供了隱晦的線索。

核聚變不同，產(chǎn)生的太陽中微子能量也就不同，因此太陽中微子攜帶了有關(guān)太陽成分的信息。

今年6月在德國海德堡舉行的一次會議上，意大利格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室（Italy‘s Gran Sasso National Laboratory）對太陽中微子進(jìn)行了檢測，結(jié)果稍傾向于太陽金屬豐度為 1.8% 的估計(jì)。

如果這個(gè)更高的太陽金屬豐度估計(jì)值是正確的，那么阿斯普羅德團(tuán)隊(duì)的光譜測量到底哪里出了問題？

“如果問題出在光譜學(xué)上，那我們在分析其他恒星時(shí)，很可能也犯了同樣的錯(cuò)誤。”他說。這將影響我們對恒星和包括銀河系在內(nèi)的星系化學(xué)成分演化的解釋。

太陽壽命的驟減

但阿斯普倫德堅(jiān)持認(rèn)為，他1.3%的光譜測量估計(jì)是正確的。他指出，2015年發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究表明，在太陽核心的高壓環(huán)境下，金屬對不透明度的正影響可能遠(yuǎn)超我們的預(yù)料。如果根據(jù)這個(gè)誤差對“標(biāo)準(zhǔn)太陽模型”進(jìn)行修正，日震學(xué)和中微子對金屬豐度的測量結(jié)果有可能降至1.3%。

格蘭薩索國家實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)，希望能在未來的幾年里探測到碳氮氧循環(huán)（CNO cycle）中產(chǎn)生的微量太陽中微子。碳氮氧循環(huán)是太陽內(nèi)部的一種聚變反應(yīng)，以碳、氮和氧三種原子作為氫聚變成氦的催化劑。

團(tuán)隊(duì)的合作者、馬薩諸塞大學(xué)阿姆赫斯特分校（University of Massachusetts Amherst）的物理學(xué)家安德里亞·波卡爾（Andrea Pocar）說：“碳氮氧循環(huán)產(chǎn)生的中微子受到金屬豐度的影響很大，所以探測這些中微子意義非凡。”

如果太陽金屬豐度真的只有1.3%，“標(biāo)準(zhǔn)太陽模型”則確實(shí)在不透明度方面存在問題。

阿斯普朗德認(rèn)為：“天文學(xué)的方方面面都會因此受到影響，對恒星演化的準(zhǔn)確認(rèn)識，幾乎奠定了一切的基礎(chǔ)?！睂脮r(shí)，恒星和星系的估計(jì)年齡將不得不進(jìn)行10~15%的修正。

不幸的是，從太陽本身，以及地球上未來生命的角度來看，金屬豐度低的恒星比金屬豐度高的恒星燃燒得更快，因此，太陽的壽命可能比我們預(yù)想的要短10億年。