对太阳新的研究，颠覆了对宇宙的认知

当天文学家凝视太空深处时，他们带着不安，因为他们不知道宇宙到底是由什么组成的。也不知道暗物质的真实性质。星星的本质也是如此，它们点缀着天空，遍布着整个宇宙。令人惊讶的是，没有人知道这些恒星的确切化学成分，它们有多少碳、氮和氧原子。

这些数字是至关重要的，因为它们影响着恒星的生存和死亡、行星的形成，甚至影响着其他星球上生命的形成。

20年前，天文学家对他们一直在研究的数据充满了信心。现在，又信心不足了。问题不在于宇宙遥远的角落，而在于离地球更近的地方。科学家们并不知道太阳的确切组成。因此，他们也不知道其他恒星的确切组成元素。

• 虽然太阳的确切氧含量存在争议，但没有人质疑比太阳大得多的恒星，类似于猎户座星云中最亮的恒星（如图所示），形成了今天在地球和整个宇宙中发现的大部分氧。

“太阳是一个基本的尺度，”德国天体物理学家马丁·阿斯普朗德说。“当我们确定宇宙中任何一颗恒星、一个星系或气体云中某种元素的丰度时，我们会用太阳作为参考点。”

太阳的质量占太阳系总质量的99.86%。太阳在银河系中的位置也使它很好地代表了整个星系。更重要的是，宇宙中的大多数恒星居住在像银河系这样的巨大星系中，这使得太阳成为整个宇宙的试金石。此外，太阳非常明亮，天文学家可以非常精确地研究它发出的光的细节。这将使他们能够确定太阳化学元素的确切丰度。

近一个世纪以来，天文学家通过观察恒星的化学成分是否与太阳匹配来判断恒星是否正常。我们附近的大多数恒星都是这样。

这就是为什么阿斯普伦德和他的同事在2009年《天文学和天体物理学年度评论》上发表的关于太阳化学成分的文章获得了4000多次学术引用，天文学家经常将恒星和星系与太阳进行比较。

但阿斯普朗德的研究是有争议的。他和他的同事使用新的模型来分析阳光，发现太阳中最常见的重元素（包括碳和氧）的含量比以前的计算要低得多。天文学家称大多数比氦重的元素为“重元素”。因此，其他恒星，乃至整个宇宙中，重元素的数量比之前认为的要少得多。

• 氧、碳、氖和氮这四种最常见的重元素中，太阳含有多少？这个图表显示了数十种元素的相对丰度，用对数刻度表示，其中氢原子的数量设置为12。1989年，标准的氧丰度是8.93，这意味着每一个氧原子对应1175个氢原子。然而在2009年，马丁·阿斯普朗认为氧的丰度只有8.69，这意味着每一个氧原子对应2042个氢原子。碳、氮和氖的丰度估计也大幅下降。

氧是宇宙中最丰富的重元素，俄亥俄州立大学的天文学家皮森诺特说。他一直对普朗德的数据持批评态度，因为这些数据会与对太阳内部的观测结果产生冲突。如果普朗的结论是正确的，那就意味着在宇宙周期中氧气减少了40%，因为我们所有的测量结果都是基于我们对太阳的假设。

这场争论已经持续了20年；双方都没有向对方让步。普朗德计算出的氧和其他重元素含量不仅造成了不确定性，还带来了麻烦。幸运的是，当前和未来的各种实验可能最终解决这个问题。

• 陨石也提供了宇宙丰度的大多数化学元素。此外，由于科学家可以在实验室中研究这些岩石，即使是天文学家无法在太阳中探测到的元素，它们也能得出精确的数字。例如，陨石告诉我们，宇宙中铂原子比银原子多。

氧是一种关键元素

尽管存在争议，但每个人都同意基本观点：太阳主要由氢和氦组成。它通过将氢转化为氦的核反应在其中心产生能量。但由于普朗德的工作，下一个最丰富的元素的数量仍存在争议。

氧非常重要，它占宇宙中所有重原子数量的一半。这些原子中的大多数起源于比太阳质量大得多的恒星。在它们明亮而短暂的生命后期，这些恒星将4个氦核融合在一起生成氧。恒星最终会爆炸，释放出生命的元素。仅仅一颗超新星就能释放出超过太阳质量的氧。如果太阳和整个宇宙的含氧量像普朗德认为的那样低，那么这些巨大的产氧恒星的含氧量要比人们想象的少得多。

• 宇宙中几乎一半的重原子是氧。只有四种元素——氧、碳、氖和氮——占所有重原子的88%，但它们与氢的确切数量一直存在争议。

氧在很多方面都是至关重要的。显而易见的是我们需要氧气来呼吸。不太明显的是在我们脚下的岩石中，超过一半的原子是氧气。这种元素在太阳系所有行星的形成过程中发挥了重要作用。

氧的重要作用不止于此。毕竟，每个水分子中都有一个氧原子。水是生命的必需品。所以没有氧，就没有水，没有生命。

任性的太阳

尽管影响深远，但围绕太阳富含氧气和其他重元素的争论是偶然开始的。在20世纪90年代末，阿斯普朗想要研究那些只有少量重元素的古老恒星。不过，他认为首先最好查明太阳的构成。

为此，他和他的同事开发了新的模型来解释太阳光谱，即我们的恒星发出的光。不同元素的原子吸收不同波长的光，产生所谓的光谱线。太阳表面上某种特定元素的原子越多，原子吸收的光就越多，光谱线也就越强。因此，光谱线可以揭示一种元素相对于氢的丰度，氢是太阳的主要成分。

因为是太阳定下了标准，科学家们就可以在一束阳光中看到整个宇宙，通过分析太阳光谱，他们可以确定整个宇宙中氢、碳、氮和氧的比例。新模型比以前的模型复杂得多，避免了简化和近似。在他的模型中，宇宙中最丰富的四种重元素都遭受了重大的质疑。与20年前发表的数字相比，新模型得出的数值要低得多。新的模型大大降低了太阳和宇宙中氧含量的估计。生命的另一个先决条件——碳的含量下降了26%，而氖和氮的含量分别下降了31%和40%。

根据所有的计算，这四种元素占了宇宙中所有重原子的绝大多数。如果阿斯普朗德是对的，那么宇宙中存在的黑洞要比任何人想象的要少得多。这给太阳内部的模型带来了巨大的麻烦。

太阳内部

像氧这样的重元素改变了太阳的内部，因为它们吸收了从太阳核心到太阳表面的辐射。借助古老的太阳丰度，天文学家们认为，借助一种被称为日震学的技术，他们已经弄清楚了太阳的内部。正如我们的世界会发生地震一样，太阳内部也会随着声波发生振动。正如地震学家利用地震来推断地球内部的结构一样，通过太阳产生的震动也揭示了它的内部结构。

例如，在太阳内部的大部分地方，辐射从一个原子反射到另一个原子，慢慢地将热量从核心向外传递。然而，在太阳的最外层，物质温度较低，也更不透明，这主要是因为像氧这样的重元素会吸收光子。这种不透明意味着光子无法将热量输送到那里。取而代之的是一种被称为对流的过程——热气体上升到太阳表面，辐射热量，然后冷却并下沉。当你烧开一壶水时，你会看到类似的情况。

• 太阳核心的核反应产生能量，然后通过辐射和对流向外传输。辐射区和对流区边界的位置已由日震学观测揭示。古老的太阳元素丰度把这个边界正好放在观测的位置，修正后的元素丰度则不行。

日震学确定了太阳辐射内部和对流表层之间边界的位置。因此，我们知道这个边界正好在太阳半径的71.3%处。但是，如果太阳实际上含的氧、碳、氖和氮更少，那么太阳的内部就不那么不透明了，这就使得辐射能把热量从太阳中心带到更远的地方，这与日震学的观测结果相矛盾。要么我们不了解太阳，要么新的太阳丰度是错误的。

不过，新模型要优于早期的模型，他们对太阳丰度的重新判定应该是有效的。首先，普朗德的模型考虑了对流，这是早期的研究忽略的。他的团队还认识到，一条被认为是由氧气产生的红色光谱线，实际上是氧和镍的混合物，除去镍的作用，氧的丰度就降低了。

大部分问题来自于氧原子本身。虽然氧很常见，但它在阳光中产生的光谱线很少，而所有这些光谱线都很难分析，所以这种元素几乎没有留下多少线索来说明它的含量。相比之下，每个人都同意太阳的铁丰度。这是因为铁会产生大量的谱线，这些谱线可以被分析。

阳光下的新事物

幸运的是，新的数据很快就会出炉。在实验室里，物理学家可以通过将不同元素置于太阳内部的高温下，来测量它们的丰度。近年来，科学家们已经将这些实验的温度提高到更高的水平。

2015年，桑迪亚国家实验室的实验物理学家吉姆·贝利和他的同事报告称，铁在太阳下的不透明度确实比预期的要高。“我们的结果让天文学界非常高兴，”他说，“因为这意味着他们至少有希望将他们认为的最佳丰度估计与标准太阳模型和日震学相一致。”

• CNO循环只产生了太阳能量的1%，但是有一天可能会揭示出太阳含有多少碳、氮和氧。在这个复杂的循环中，碳、氮和氧的原子核催化氢到氦的核反应，但不会在这个过程中耗尽。CNO循环将4个质子转换成一个氦原子核，产生能量并释放出2个中微子。

现在贝利已经将他的注意力转向氧，并期望在三年内得到第一个结果。如果证明氧比目前计算的更加不透明，那么太阳就不需要那么多的元素来维持辐射对流边界的观测位置。这将消除新的太阳丰度与日震学之间的差异。

与此同时，阿斯普朗德和品森诺特都指出了另一个有希望的解决方案。当太阳的核心产生能量时，它会释放出中微子，这是一种幽灵般的粒子，它们会在大约八分钟后飞散并到达地球。对这些中微子正在进行的研究将提供一种估算元素丰度的新方法。这是因为某些中微子是在碳、氮和氧作为催化剂将氢转化为氦的过程中产生的。

最后的判决

曾几何时，天文学家们就宇宙铁的丰度争论不休，太阳光谱给出的水平与陨石给出的不同。在很长一段时间里，这一直是个谜。当天文学家使用最新测量的铁原子参数并修正了他们对太阳铁丰度的计算，证明了流星结果的正确性时，争论结束了。我们希望正在进行的不透明和中微子实验能够解决这一争议。