Το υπόγειο πείραμα επιβεβαιώνει τι τροφοδοτεί τον ήλιο
Οι επιστήμονες πίστευαν από καιρό ότι η δύναμη του ήλιου προέρχεται σε μεγάλο βαθμό από τη σύντηξη πρωτονίων σε ήλιο, αλλά τώρα μπορούν επιτέλους να το αποδείξουν. Μια διεθνής ομάδα ερευνητών που χρησιμοποιεί έναν ανιχνευτή θαμμένο βαθιά κάτω από τα βουνά της κεντρικής Ιταλίας ανίχνευσε νετρίνα —φαντασμένα σωματίδια που αλληλεπιδρούν μόνο πολύ απρόθυμα με την ύλη— που ρέουν από την καρδιά του ήλιου. Άλλα ηλιακά νετρίνα έχουν ανιχνευθεί στο παρελθόν, αλλά αυτά τα συγκεκριμένα προέρχονται από τη βασική αντίδραση σύντηξης πρωτονίου-πρωτονίου που είναι το πρώτο μέρος μιας αλυσίδας αντιδράσεων που παρέχει το 99% της ενέργειας του ήλιου.
Τα αποτελέσματα δείχνουν επίσης ότι ο ήλιος είναι μια εξαιρετικά σταθερή πηγή ενέργειας. Τα νετρίνα χρειάζονται μόνο 8 λεπτά για να φτάσουν από τον πυρήνα του ήλιου στη Γη, επομένως ο ρυθμός παραγωγής νετρίνων που εντόπισε η ομάδα αντανακλά την ποσότητα θερμότητας που παράγει ο ήλιος σήμερα. Συμβαίνει ότι αυτή είναι η ίδια με την ποσότητα ενέργειας που ακτινοβολείται τώρα από την επιφάνεια του ήλιου, παρόλο που αυτά τα φωτόνια χρειάστηκαν 100.000 χρόνια για να λειτουργήσουν από τον πυρήνα στην επιφάνεια. Ως εκ τούτου, η παραγωγή ενέργειας του ήλιου δεν έχει αλλάξει εδώ και 100 χιλιετίες. "Αυτό είναι άμεση απόδειξη της σταθερότητας του ήλιου τα τελευταία 100.000 περίπου χρόνια", λέει το μέλος της ομάδας Andrea Pocar από το Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης στο Amherst.
Ο πυρήνας του ήλιου είναι ένας πύρινος κλίβανος τόσο καυτός και πυκνός που τα πρωτόνια -πυρήνες υδρογόνου, το κύριο συστατικό του ήλιου- συγκρούονται με τέτοια δύναμη που συντήκονται, παράγοντας έναν πυρήνα δευτερίου (βαρύ υδρογόνο, κατασκευασμένο από ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο) συν ένα αντιηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο. Αυτή είναι η αρχή μιας ολόκληρης αλληλουχίας αντιδράσεων:Τα πρωτόνια συγκρούονται με το δευτέριο για να παράγουν ήλιο-3. Ήλιο-3 συνδυάζονται για να δώσουν ήλιο-4 συν πρωτόνια. άλλες αντιδράσεις παράγουν λίθιο, βηρύλλιο και βόριο. Πολλές από αυτές τις αντιδράσεις παράγουν νετρίνα, αλλά η συντριπτική πλειοψηφία της ροής νετρίνων από τον ήλιο παράγεται από την αρχική αντίδραση πρωτονίου-πρωτονίου ή pp. "Η αντίδραση pp είναι η πιο βασική διαδικασία. Όλα όσα συμβαίνουν στον ήλιο πηγάζουν από αυτήν", λέει ο Steve Biller από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και εκπρόσωπος του Ηνωμένου Βασιλείου για τον υπό κατασκευή ανιχνευτή νετρίνων SNO+ στον Καναδά, ο οποίος δεν συμμετείχε στη νέα εργασία.
Οι ερευνητές ανιχνεύουν νετρίνα από τη δεκαετία του 1960. Αρχικά, ένα έλλειμμα δύο τρίτων στο ποσοστό ανίχνευσης μπέρδεψε τα αποτελέσματα. Αποδείχθηκε ότι τα νετρίνα μπορούσαν να μεταμορφωθούν από τον έναν τύπο στον άλλο καθώς πετούσαν στο διάστημα, αλλά οι ανιχνευτές ήταν ευαίσθητοι μόνο σε έναν από τους τρεις τύπους. Μόλις επιλύθηκε αυτό το «πρόβλημα νετρίνων», τα παρατηρητήρια νετρίνων συνέχισαν να ανιχνεύουν νετρίνα από σχεδόν όλες τις προβλεπόμενες αντιδράσεις στον ήλιο — αλλά όχι από την αντίδραση pp. Αυτό που κάνει την αντίδραση pp δύσκολη είναι ότι τα νετρίνα έχουν πολύ χαμηλή ενέργεια που είναι περίπου ίδια με την ενέργεια διαφόρων ραδιενεργών διασπάσεων που συμβαίνουν στη Γη, καθιστώντας εύκολο για έναν γήινο ανιχνευτή να συγχέει μια διάσπαση με ένα συμβάν νετρίνων. "Ο εντοπισμός νετρίνων αυτού του είδους είναι σχεδόν αδύνατο να γίνει. Χρειάζεστε πολύ χαμηλά επίπεδα φόντου και πολλή υπομονή", λέει ο Biller.
Ο ανιχνευτής Borexino στο Εθνικό Εργαστήριο Gran Sasso, 1400 μέτρα κάτω από τα Ιταλικά Απέννινα, αποτελείται από ένα σφαιρικό διαφανές δοχείο γεμάτο με 300 τόνους ψευδοκουμενίου υψηλής καθαρότητας, ένα υγρό που μοιάζει με βενζολίνη. Τα νετρίνα περνούν εύκολα μέσα από τον υπερκείμενο βράχο, αλλά περιστασιακά κάποιος θα χτυπήσει έναν πυρήνα σε αυτό το υγρό «σπινθηριστή», παράγοντας μια λάμψη φωτός που ανιχνεύεται από μια σειρά ανιχνευτών τοποθετημένων γύρω από τη σφαίρα. Τέτοιοι ανιχνευτές βρίσκονται πάντα βαθιά κάτω από το έδαφος, για να τους προστατεύουν από τις κοσμικές ακτίνες, και περιβάλλονται από ρυθμιστικά στρώματα υγρών για να αποκρούσουν τις ραδιενεργές αποσυνθέσεις στους βράχους.
Παρά τις προσπάθειες αυτές, για να ανιχνευθούν νετρίνα pp, η συνεργασία με το Borexino χρειάστηκε να περάσει από μια ιδιαίτερα μακροχρόνια εκστρατεία καθαρισμού για τη μείωση των επιπέδων ραδιενεργών ρύπων στο υγρό του σπινθηριστή—ιδίως το κρυπτόν-85, ένα υποπροϊόν πυρηνικών δοκιμών και επανεπεξεργασίας που τώρα διαπερνά την ατμόσφαιρα και παράγει ένα σήμα διάσπασης πολύ παρόμοιο με αυτό από την άφιξη ενός νετρίνου pp. «Οποιαδήποτε μικροσκοπική διαρροή αέρα και το κρυπτόν-85 θα μπουν μέσα», λέει ο Pocar. Οι ερευνητές, λέει ο Biller, "πραγματικά ώθησαν την αιχμή, επιτυγχάνοντας γελοία χαμηλά επίπεδα ραδιενεργού μόλυνσης."
Ακολούθησε ενάμιση χρόνο συλλογής δεδομένων και ένα έτος ανάλυσης «για να φανεί ότι δεν ήταν φόντο ή ανιχνευτή», λέει ο Pocar. Μετά από επίπονη αφαίρεση πολλαπλών πηγών σημάτων παρασκηνίου, η ομάδα έμεινε με ροή νετρίνων 66 δισεκατομμυρίων ανά τετραγωνικό εκατοστό ανά δευτερόλεπτο, κοντά στην πρόβλεψη του τυπικού ηλιακού μοντέλου των 60 δισεκατομμυρίων, αναφέρουν στο διαδίκτυο σήμερα στο Nature .
«Έκαναν εξαιρετική δουλειά για να το κάνουν αυτό - απίστευτα εντυπωσιακό», λέει ο Biller. "Ξεφλουδίζουν τα κλαδιά για να φτάσουν στον κορμό της κύριας διαδικασίας."
