桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Z機(jī)器的物理學(xué)家們?cè)?10萬(wàn)華氏度（約228萬(wàn)攝氏度）溫度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)天文模型（40年來(lái)一直用來(lái)預(yù)測(cè)太陽(yáng)的行為以及恒星的生死）低估了自由漂浮的鐵原子造成的能量阻塞，鐵原子在這些過(guò)程中起著重要作用。

阻塞效應(yīng)，稱為不透明度，是元素對(duì)通過(guò)它的能量的自然阻力，類似于不透明窗口對(duì)光線通過(guò)的阻力。

Sandia Group最新出版的《物理評(píng)論快報(bào)》期刊主要作者Taisuke Nagayama說(shuō)：通過(guò)觀察理論和在Z實(shí)驗(yàn)之間的現(xiàn)實(shí)世界差異，我們能夠確定插入太陽(yáng)模型不透明數(shù)字的弱點(diǎn)。好消息是，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室不透明度測(cè)量可以解決廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型，如何使用太陽(yáng)成分來(lái)預(yù)測(cè)恒星行為的重大差異。直到2005年，SSM將存在的每個(gè)元素的數(shù)量與其不透明度相乘，解釋了觀測(cè)到的太陽(yáng)溫度結(jié)構(gòu)。

但是新天體物理觀測(cè)和更復(fù)雜的物理隨后促使天文學(xué)家修正了對(duì)太陽(yáng)組成的預(yù)測(cè)。不幸的是，這些新的預(yù)測(cè)，插入到模型中，并乘以它們的不透明度，沒(méi)有考慮到太陽(yáng)的溫度。有三種可能：要么新的成分觀測(cè)不準(zhǔn)確，要么SSM是錯(cuò)誤的，或者理論推導(dǎo)出的元素不透明度是不正確的。最好的分辨率顯然來(lái)自于在與太陽(yáng)內(nèi)部溫度相同情況下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。

太陽(yáng)溫度下的實(shí)驗(yàn)提供了答案

十多年前，Sandia研究人員開始將每一塊小于一角錢的鐵片插入Z靶區(qū)。當(dāng)Z發(fā)射時(shí)，極熱將固體變成了存在于太陽(yáng)中的等離子體(一種氣體)，但只持續(xù)了納秒。然而，對(duì)于研究人員來(lái)說(shuō)，這段時(shí)間足夠長(zhǎng)，可以通過(guò)每個(gè)樣本發(fā)送能量波，并測(cè)量通過(guò)的量。這個(gè)想法是第一次創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)室得出測(cè)量鐵在太陽(yáng)溫度下不透明度的方法，以了解它是否與標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)模型計(jì)算中使用的理論數(shù)值相一致。

Nagayama表示，將鐵的不透明度增加到Z在多個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)中證明的程度，消除了計(jì)算太陽(yáng)溫度和實(shí)際太陽(yáng)溫度之間大約一半的差異。論文作者兼桑迪亞研究人員吉姆·貝利(Jim Bailey)說(shuō)：天文學(xué)家對(duì)我們很滿意，因?yàn)槲覀冋f(shuō)可能是不透明度數(shù)值是錯(cuò)誤的，然后天文學(xué)家就不必想出一個(gè)新的模型，并以太陽(yáng)為基準(zhǔn)來(lái)預(yù)測(cè)恒星的演化，重新進(jìn)行所有的計(jì)算。這是因?yàn)樘煳膶W(xué)家使用太陽(yáng)組成作為宇宙的參考。將太陽(yáng)中的含氧量減少50%，相當(dāng)于將宇宙中的水(H2O)量減半。

金屬的驚喜

有許多系外行星圍繞類太陽(yáng)恒星運(yùn)行；修正對(duì)太陽(yáng)的理解也將對(duì)理解這些系外行星產(chǎn)生重大影響。天文學(xué)家最喜歡不透明度假設(shè)，這就是目前所發(fā)現(xiàn)的。在相同的測(cè)試中，Sandia還測(cè)量了在鐵上使用相同條件下鉻和鎳的不透明度。研究人員的想法是使用這些元素（分別比鐵更小和更大，但在元素周期表中與鐵相鄰）就好像鐵在離太陽(yáng)核心越來(lái)越近的地方接受測(cè)試一樣。令人驚訝的是，這些元素在某些光子能量下產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)不透明度結(jié)果與模型預(yù)測(cè)基本一致。盡管如此，它們與特定波長(zhǎng)的不透明度預(yù)測(cè)不同，進(jìn)一步完善了模型修正。

Nagayama表示：我們過(guò)去五年的工作重點(diǎn)是解決差異，然而，新結(jié)果意味著可能需要新的科學(xué)來(lái)解釋它們。為了解釋新實(shí)驗(yàn)結(jié)果，物理學(xué)家正在研究新的模型。一種被稱為雙光子不透明度，它探索了一個(gè)元素一次可以吸收兩個(gè)光子而不是一個(gè)思想標(biāo)準(zhǔn)的想法。如果在模型中考慮這種多光子吸收，將增強(qiáng)計(jì)算出的鐵的不透明度，并可能解決差異。如果正確，新物理模型必須只計(jì)算鐵的不透明度增加，因?yàn)槟Ｐ秃蛿?shù)據(jù)已經(jīng)適用于鉻和鎳。

其他實(shí)驗(yàn)限制包括，在距太陽(yáng)中心特定距離內(nèi)，人們對(duì)太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)知之甚少。如果在太陽(yáng)模型下走得更深，這種差異是不是更嚴(yán)重？這完全取決于是什么導(dǎo)致了這種差異，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)核心的差異甚至更嚴(yán)重，或者問(wèn)題可能被孤立到0.7太陽(yáng)半徑附近的區(qū)域，該距離與進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)的能量相匹配?；卮疬@些問(wèn)題應(yīng)該會(huì)導(dǎo)致一個(gè)更準(zhǔn)確的模型。熱致密等離子體實(shí)驗(yàn)具有足夠的挑戰(zhàn)性，所不應(yīng)該排除存在錯(cuò)誤的可能性。

博科園｜研究/來(lái)自：桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.235001

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