Кратко опишите проблему солнечных нейтрино и проблему нагрева солнечной короны

Обновлено: 05.07.2024

До сравнительно недавнего времени одна из важнейших проблем астрономии — проблема внутреннего строения и эволюции звезд решалась совместными усилиями астрофизиков-теоретиков и астрономов-наблюдателей. Как уже неоднократно подчеркивалось, эта проблема никоим образом не могла быть решена без непрерывного контроля выводов теории астрономическими наблюдениями. Особенно большое значение для теории имел анализ прецизионных наблюдений блеска и цвета звезд, входящих в состав скоплений (см. § 12). Считалось и считается, что справедливость теории внутреннего строения и эволюции звезд объясняется возможностью на основе этой теории объяснить ряд тонких особенностей диаграммы Герцшпрунга — Рессела для различных скоплений звезд, имеющих различный возраст. Все же неопределенное ощущение неудовлетворительности, несомненно, остается. В идеале было бы неплохо иметь возможность непосредственно получить основные характеристики звездных недр путем прямых наблюдений.

Однако ничтожно малая вероятность взаимодействия солнечных нейтрино с веществом делает эксперименты по их обнаружению исключительно трудными. Идея такого эксперимента была предложена еще в 1946 г. Б. М. Понтекорво. Обнаружение нейтрино может быть основано на реакции

(9.1)

Рис. 9.1: Детектор нейтринного излучения (схематически).

Последняя оговорка весьма существенна. Выше мы оценили величину ожидаемого полного потока солнечных нейтрино. Однако перхлорэтиленовый детектор способен поглощать далеко не все солнечные нейтрино с одинаковой эффективностью. Между тем энергетический спектр солнечных нейтрино весьма чувствительным образом зависит от физических условий в недрах Солнца, т. е. от температуры, плотности и химического состава. Другими словами, энергетический спектр солнечных нейтрино, а следовательно, скорость образования в перхлорэтилене радиоактивных ядер 37 Ar сильно зависит от модели солнечных недр.

Начиная с 1955 г. Дэвис. и его сотрудники упорно работали над повышением чувствительности перхлорэтиленового детектора нейтрино. В результате их усилий в этом направлении чувствительность детектора увеличилась к настоящему времени почти в 30 000 раз! В его современном виде нейтринный детектор представляет собой грандиозное сооружение (рис. 9.1). Гигантский резервуар, наполненный жидким перхлорэтиленом, имеет объем около 400 кубометров, что близко к объему нормального 25-метрового плавательного бассейна. Установка расположена на дне глубокой старой шахты, пробитой в скальном грунте. Глубина шахты превышает 1,5 км, что соответствует экранировке установки эквивалентным слоем воды толщиной около 4,5 км. Расположение детектора глубоко под землей диктуется необходимостью свести к минимуму помехи, приводящие к образованию радиоактивных изотопов аргона без поглощения ядрами хлора нейтрино. Указанные помехи вызываются проникающей компонентой космических лучей. Мю-мезоны, входящие в состав этой компоненты, взаимодействуя с веществом, порождают быстрые протоны, которые, сталкиваясь с ядрами хлора, образуют радиоактивный изотоп 37 Ar.

Некоторое понятие о чувствительности этой гигантской установки может дать тот факт, что из-за облучения солнечными нейтрино во всем огромном бассейне перхлорэтилена одновременно присутствуют всего лишь несколько десятков ядер радиоактивного изотопа 37 Ar. Заметим в этой связи, что период полураспада этого изотопа около 35 дней.

Это расхождение между ожидаемым результатом и данными наблюдений представляется довольно большим. Конечно, часть этого расхождения следует искать в несовершенстве теорий, как чисто физических, так и астрономических. Чисто физической является задача вычисления вероятности поглощения хлором солнечных нейтрино. Эта вычисленная вероятность, однако, подкрепляется результатами прямых лабораторных экспериментов, так что нет оснований сомневаться в ее правильности. Возможные ошибки здесь вряд ли превышают 10%. Более серьезным является вопрос о точности ныне принятой модели внутренних областей Солнца. Как мы уже упоминали выше, от этой модели зависит энергетический спектр солнечных нейтрино, а следовательно, и количество образовавшихся в бассейне перхлорэтилена изотопов радиоактивного аргона. Например, скорость образования нейтрино при бета-распаде 8 B (образующихся при одной из ветвей протон-протонной реакции; см. § 8) зависит от температуры T приблизительно как T 13 , т. е. очень сильно. Между тем перхлорэтиленовый детектор регистрирует преимущественно нейтрино, образовавшиеся при распаде 8 B, так как они обладают наибольшей энергией ( 14 МэВ). Заметим, что количество таких нейтрино составляет ничтожную долю от полного нейтринного потока, который почти не зависит от модели Солнца.

В принципе при современном уровне теории модель любой звезды, находящейся на главной последовательности, может быть построена достаточно точно, если известна масса звезды- и распределение ее химического состава по всей толще. Для Солнца масса известна с высокой точностью, в то время как имеется достаточно большая неопределенность в распределении его химического состава. Последнее зависит от характера перемешивания вещества в недрах Солнца. Скорее всего, относительное обилие гелия в ядре Солнца выше, чем в более наружных слоях. Разница в обилиях гелия в центральных областях и на периферии зависит также от возраста Солнца, который принимается равным 4,7 миллиарда лет. Для построения моделей имеют также большое значение полученные из лабораторных данных скорости тех или иных ядерных реакций, происходящих в солнечных недрах. Например, переоценка времени жизни свободных нейтронов, которая произошла в 1967 г., и уточнение лабораторных данных о скорости некоторых важных для астрофизики ядерных реакций заставили несколько пересмотреть значение скорости протон-протонной реакции — важнейшей термоядерной реакции в недрах Солнца.

Предложенные в последние годы модели Солнца дают весьма разные значения ожидаемого в экспериментах Дэвиса количества поглощенных нейтрино — от 30 до 6 s. n. u. Однако даже последнее, наинизшее значение все же в несколько раз превосходит наблюдаемую верхнюю границу.

Означает ли столь неожиданный результат экспериментов по обнаружению солнечных нейтрино, что наши представления о внутренней структуре и эволюции звезд неверны и нуждаются в коренном пересмотре? Пока для такого вывода оснований нет. Но есть проблема объяснения результатов опытов Дэвиса.

Идея Фаулера представляется нам в высшей степени плодотворной. Развитие гипотезы Фаулера содержится в работе Эзера и Камерона. Если предположить, что по какой-либо причине резко увеличилось энерговыделение в центре Солнца, обусловленное ядерными реакциями, то это повлечет за собой быстрое расширение солнечного ядра, температура которого понизится. Понижение температуры недр Солнца повлечет за собой уменьшение скорости всех термоядерных реакций. После того как избыточная энергия покинет пределы центральных областей Солнца, последние вернутся к своему первоначальному состоянию и поток солнечных нейтрино восстановится. Каким же образом может произойти резкое увеличение энерговыделения в центральной области Солнца? Оказывается, здесь большое значение может иметь такая ничтожно малая примесь к веществу солнечных недр, как редкий изотоп гелия 3 He. В обычных условиях в недрах Солнца концентрация этого изотопа поддерживается динамическим равновесием между ядерными реакциями, ведущими к его образованию и уничтожению. Между тем, как уже обсуждалось в § 8, концентрация 3 He имеет большое значение для идущей в недрах Солнца протон-протонной реакции, обеспечивающей почти всю светимость Солнца. Оказывается, что чем выше температура, тем ниже равновесная концентрация 3 He. Отсюда непосредственно следует, что равновесная концентрация 3 He должна расти по мере удаления от центра Солнца, однако, начиная с некоторого расстояния от центра, рост концентрации 3 He прекращается: температура оказывается уже слишком низкой для того, чтобы равновесная концентрация успела установиться за те 5 миллиардов лет, которые существует Солнце. Расчеты показывают, что максимальная концентрация изотопа 3 He достигается на расстоянии 0,6 солнечного радиуса. Представим себе теперь, что по какой-либо причине произошло внезапное перемешивание солнечных недр. Оно должно повлечь за собой значительное увеличение концентрации 3 He в области центра Солнца, так как туда поступит материал, где концентрация 3 He выше. Так как концентрация этого изотопа определяет скорость протон-протонной реакции, энерговыделение резко возрастает, и мы получим ситуацию, обсуждавшуюся выше.

Рис. 9.2: Предполагаемая вариация нейтринного излучения Солнца со временем.

Рис. 9.3: Предполагаемая вариация светимости Солнца со временем.

Но ведь это соответствует действительности! По геологическим данным ледниковый период на нашей планете длится вот уже два миллиона лет. Сейчас на Земле относительно тепло, потому что мы живем в сравнительно короткое (длительность около 15 000 лет) межледниковое время[ 26 ].

Только сравнительно недавно геологи доказали, что оледенения Земли всегда носили глобальный характер, т. е. происходили одновременно на обеих ее полушариях.

Приходится только удивляться неожиданным характерам взаимосвязи явлений в природе. Удивительным и совершенно неожиданным образом проблемы нейтринной астрономии могут быть связаны с фундаментальнейшей проблемой геологии, до последнего времени, несмотря на многочисленные попытки, остававшейся нерешенной.

2. Теория излучения черного тела. Квант действия Планка

2. Теория излучения черного тела. Квант действия Планка Начало развитию квантовой теории положили относящиеся к 1900 г. работы Макса Планка по теории излучения черного тела. Попытка построить теорию излучения черного тела на основе законов классической физики привела к

ЗАКАТ СОЛНЦА

ЗАКАТ СОЛНЦА Вы заметили, конечно, что когда солнце садится или восходит, оно кажется гораздо больших размеров, чем когда оно стоит высоко в небе. То же происходит и с луной. Это — обман зрения. Испытайте, сохраняется ли он, когда вы смотрите на заходящее солнце через

Энергия Солнца

Энергия Солнца Момент количества движения приводит в затруднение, когда мы пытаемся объяснить далекое прошлое Солнечной системы, но в настоящее время нет никаких доказательств, что момент количества движения Солнечной системы не сохраняется. Однако, когда открыли

Глава 8 Ядерные источники энергии излучения звезд

Глава XI Проблемы защиты от радиоактивных излучений

Глава XI Проблемы защиты от радиоактивных излучений Проблемы защиты от радиоактивных излучений возникают на различных ступенях использования атомной энергии:— на низшей ступени, к которой относится, например, добыча урана, являющегося основным видом ядерного

56. Тепловые излучения тел

56. Тепловые излучения тел Из всего многообразия электромагнитных излучений, видимых или невидимых человеческим глазом, можно выделить одно, которое присуще всем телам. Это излучение нагретых тел, или тепловое излучение. При тепловом излучении энергия переносится от

4.7. Измерение скорости света Солнца

4.7. Измерение скорости света Солнца В конце 40-х гг. ХХ века, во время подготовки в СССР дискуссии о сущности теории относительности, С. И. Вавиловым, президентом АН СССР, было решено поставить лабораторный опыт по проверке достоверности постулата с = const. В качестве

Генерация гравитационного излучения

Генерация гравитационного излучения Гравитационное излучение чрезвычайно слабое. Это связано со слабостью гравитационного взаимодействия в природе. Например, электромагнитная константа связи (ее называют постоянной тонкой структуры) ?=e2/hc ? 1/137, где используются заряд

Источники гравитационного излучения

Источники гравитационного излучения – Возьмем две звезды, разгоним почти до скорости света и столкнем. Что произойдет? – Нехилый коллайдер получится… Из форума Слабость гравитационного излучения оставляет мало шансов для его регистрации. Где же искать подходящие

37. Что там, внутри Солнца?

37. Что там, внутри Солнца? Солнце — огромный шар из газа, имеющий 1,4 млн км в поперечнике. В основном оно состоит из водорода (75 %) и гелия (24 %).К центру плотность и температура значительно увеличиваются.Солнце не имеет нейтральных атомов. Атомные ядра (положительный заряд)

От Земли до Солнца

От Земли до Солнца Что может быть нежнее и тоньше паутинной нити? Тонкость ее вошла в поговорку, и недаром: нить паутины в десять раз тоньше волоса; поперечник ее равен только 0,005 мм. Этой необычайной тонкостью объясняется легкость паутины, потому что сам по себе материал

Роль вынужденного излучения в теории дисперсии света

Роль вынужденного излучения в теории дисперсии света Используя результаты Эйнштейна, физики-теоретики смогли построить квантовые теории рассеяния света и дисперсии.Как мы уже говорили о преломлении света призмой, лучи света, которые относятся к различному цвету,

ГЛАВА 14 РЕШЕНИЕ В ПОИСКЕ ПРОБЛЕМЫ ИЛИ МНОГИЕ ПРОБЛЕМЫ С ОДНИМ И ТЕМ ЖЕ РЕШЕНИЕМ? ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ

Глава 9. Проблемы унификации

Глава 9. Проблемы унификации В 1947 году только что окончивший аспирантуру Брайс Девитт встретился с Вольфгангом Паули и рассказал, что работает над квантованием гравитационного поля. Девитт не понимал, почему две великие концепции XX века — квантовая физика и общая теория

11 августа 2018 года организация НАСА запустит один из своих амбициозных проектов — зонд Parker, который приблизится максимально близко к поверхности Солнца — 6,1 млн км, возможно, даже коснется его и не расплавится.

Благодаря этому свойству теплозащитный экран, закрывающий Parker Solar Probe, будет нагреваться всего на 1 644 °C.

При этом человечество довольно мало знает о солнечной короне. Источниками для изучения становились только солнечные затмения, поскольку Луна блокировала самую яркую часть звезды — это позволило наблюдать за тусклой внешней атмосферой Солнца.

В 1869 году астрофизики во время полного солнечного затмения наблюдали зеленую спектральную линию. Поскольку различные элементы излучают свет на характерных для них длинах волн, ученые могут использовать спектрометры для анализа света и, соответственно, определения его состава. При этом зеленая линия, наблюдаемая с Земли в 1869 году, не соответствовала каким-либо известным элементам на Земле. Ученые тогда подумали, что обнаружили новый элемент, и назвали его корониумом.

Ученые предлагают затенить Солнце, чтобы спасти коралловые рифы

Только в середине XX века шведские физики поняли, что корониум на самом деле — не новый элемент, а железо, перегретое до такой степени, что было ионизировано 13 раз — у него осталась только половина электронов атома обычного железа. Такой процесс ионизации может случиться, только если корональные температуры составляют более 2 млн градусов по Цельсию — это в 200 раз больше, чем на поверхности.

За время открытия корональной атмосферы ученые со всего мира пытались понять ее поведение, но даже самые сложные модели и наблюдения со спутников в высоком разрешении лишь частично объясняют такое резкое нагревание. А многие теории противоречат друг другу.

Астрономы обнаружили 12 новых спутников Юпитера

Люди могут находиться только в экспансивной атмосфере Солнца, поэтому данные, которые ученые получают от анализа солнечной плазмы в околоземном пространстве, резко отличаются от информации о звезде, которую можно получить, находясь рядом с ним. За те 146 млн км, которые солнечный ветер добирается за четыре дня до Земли, он множество раз смешивается с другими частицами и теряет огромное количество своих определяющих черт.

При этом близко к короне спутник Parker будет соприкасаться только с идентичными горячими частицами. Спутник проверит две главные теории, которые объясняют корональное нагревание.

13 июля пройдет солнечное затмение суперлуной

Одна из теорий считает, что главной причиной экстремальных температур короны являются электромагнитные волны определенной частоты — волны Альвена — выходящие из глубины Солнца в корону и посылающие заряженные частицы, которые вращаются и нагревают атмосферу. Это немного похоже на то, как океанские волны ускоряют движение серферов к берегу, отмечают ученые.

Согласно другой теории, микроразрывы, называемые нанофларами, — слишком маленькие и быстрые для обнаружения, — могут нагревать корону. Эти теории пока невозможно доказать, поэтому данные со спутника НАСА могут значительно продвинуть солнечную астрофизику.

Вы можете поделиться своими знаниями, улучшив их ( как? ) Согласно рекомендациям соответствующих проектов .

Проблема солнечного нейтрино появилась в последнее время с созданием структур , что позволяет обнаруживать нейтрино , и , в частности , Супер-Камиоканд в 1990 - х годах в Японии . Это происходит из-за слишком малого количества обнаруженных нейтрино по сравнению с теоретическим значением. Чтобы понять эту проблему, необходимы некоторые понятия квантовой физики .

Резюме

Образование нейтрино

Нейтрино и антинейтрино - это элементарные частицы с очень малой массой (она часто принималась равной нулю в начале исследований), введенные в теорию квантовой физики для обеспечения сохранения энергии в процессах ядерных реакций . Поскольку большая часть энергии в звездах поступает в результате реакций ядерного синтеза , количество нейтрино, создаваемых в сердцах звезд, огромно. Таким образом, при каждой реакции синтеза между 2 протонами в центре звезды образуются позитрон (или антиэлектрон) и нейтрино (за счет сохранения лептонного числа).

Нечувствительные к сильному взаимодействию и электромагнитному взаимодействию , они проходят через материю, с которой взаимодействуют только посредством слабого взаимодействия . Таким образом, каждую секунду из-за большого количества вакуума, в котором состоит материя, несколько миллионов нейтрино проходят через нас без взаимодействия, большинство из них исходит от Солнца (ближайшая звезда) и с Земли ( радиоактивность бета ). В самом сердце Солнца реакции синтеза между двумя протонами производят низкую энергию (от 0 до 420 кэВ ). Далее следует сложный цикл ядерных реакций, дающих более высокие энергии, но в меньшем количестве. ν е > ν е >

Категории нейтрино

Квантовая физика предсказывает, что должно быть 3 основных типа нейтрино, связанных с типами фермионов, из которых они происходят. Таким образом, мы различаем:

электронные нейтрино , в основном связанные с электронами и верхними и нижними кварками ; ν е >
мюонные нейтрино _μ , в основном связанные с мюонами, очаровательными и странными кварками; ν
тау-нейтрино _τ , в основном связанные с тау (частица) и верхним и нижним кварками (тау-нейтрино еще не было обнаружено напрямую). ν

Каждое нейтрино должно быть связано с антинейтрино (отмеченным чертой вверху), который, однако, не уверен, является ли это отдельной частицей.

Детектирование нейтрино и дефицит электронных нейтрино

Детекторы нейтрино до недавнего времени могли регистрировать только электронные нейтрино, взаимодействующие с веществом (что бывает редко). Однако теория предсказывает, что нейтрино, образующиеся в термоядерных реакциях в сердце Солнца, являются электронными нейтрино.

Решение проблемы

Между прочим, подтверждение этого так называемого явления осцилляции также привело к выводу, что нейтрино действительно имеет ненулевую массу.

Точнее, доля собственного состояния массы для пренебрежимо мала во время его образования на Солнце. Кроме того, угол смешивания, который возникает особенно при колебаниях , очень мал. Следовательно, он останется приблизительно смесью собственных состояний и во время своего распространения. Дефицит наблюдаемой LMA-моделью ( большой угол смешивания ) МСВ можно объяснить переходом . Условие адиабатичности проверено с очень хорошей точностью для всех энергий. ν 3 > ν е > θ 13 > ν е ↔ ν τ \ leftrightarrow \ ню _ > ν е > ν 1 > ν 2 > ν е > ν е → ν μ \ rightarrow \ nu _ >

На Солнце достигаются тысячи длин колебаний. Многие осцилляции также происходят в вакууме, но доля ароматов нейтрино в среднем сохраняется. В 2008 г. лучшие значения - ° и . Наиболее энергичные нейтрино претерпели бы адиабатическое преобразование на Солнце. θ ≃ 34 Δ м 2 ≃ 8.0 × 10 - 5 е V 2 \ simeq 8.0 \ times 10 ^ эВ ^ >

У нас есть нейтрино . Мы находим примерно то значение, которое дает опыт. Отклонение от значения вероятности свидетельствует о наличии колебаний. п знак равно | ⟨ ν е | ν ( т ) ⟩ | 2 ≈ | ⟨ ν е | ν 2 м ( т ) ⟩ | 2 знак равно | ⟨ ν е | ν 2 ⟩ | 2 ≈ грех 2 ⁡ θ ≈ 1 3 | \ nu (t) \ rangle | ^ \ приблизительно | \ langle \ nu _ | \ nu _ (t) \ rangle | ^ = | \ langle \ nu _ | \ nu _ \ rangle | ^ \ приблизительно \ sin ^ \ theta \ приблизительно >> грех 2 ⁡ θ <\ displaystyle \ sin ^ \ theta>

Будущий опыт

Одним из способов проверки этой гипотезы является сравнение потока нейтрино, регистрируемого днем и ночью. В самом деле, ночью солнечные нейтрино, чтобы их можно было обнаружить, должны пересечь всю Землю и, следовательно, должны иметь возможность колебаться при взаимодействии с веществом, следовательно, со скоростью, отличной от колебаний в вакууме, которые должны вызывать поток. отличается от обнаруженного в течение дня. Кроме того, такой эксперимент позволил бы нам лучше понять периоды этих колебаний, что улучшило бы наше понимание явления. Но в настоящее время детекторы недостаточно чувствительны, чтобы позволить это измерение.

Другое исследуемое направление - изучение возможных колебаний нейтрино, генерируемых ядерными реакторами или ускорителями частиц, такими как эксперименты CNGS или K2K .

Проблема солнечных нейтрино, или проблема дефицита солнечных нейтрино, — проблема астрофизики, которая состояла в различии между теоретически предсказанным и наблюдаемым количеством нейтрино, излучаемых Солнцем. Проблема считается решённой: обнаружены нейтринные осцилляции, из-за которых часть электронных нейтрино превращается в нейтрино других типов, ненаблюдаемые в нейтринных детекторах некоторых видов. С учётом осцилляций, поток нейтрино всех типов согласуется со значениями, которые предсказываются теорией.

Проблема солнечных нейтрино возникла после того, как в 1968 году были опубликованы результаты первого эксперимента по наблюдению этих частиц: тогда было обнаружено, что их приблизительно в три раза меньше, чем предсказывалось теорией. Для решения проблемы выдвигались различные гипотезы: идея о существовании нейтринных осцилляций была выдвинута в том же 1968 году, а экспериментально подтвердилась в 2002 году, что решило проблему солнечных нейтрино. В 2015 году за открытие осцилляций Такааки Кадзита и Артур Макдональд были удостоены Нобелевской премии по физике.

Читайте также: