مثل كل النجوم ، تعمل شمسنا بواسطة اندماج الهيدروجين في عناصر أثقل. الاندماج النووي ليس فقط ما يجعل النجوم تتألق ، بل هو أيضًا مصدر أساسي للعناصر الكيميائية التي تجعل العالم من حولنا. يأتي الكثير من فهمنا للاندماج النجمي من النماذج النظرية للنواة الذرية ، ولكن بالنسبة لأقرب نجم لدينا ، لدينا أيضًا مصدر آخر: النيوترينوات التي تم إنشاؤها في لب الشمس.
عندما تخضع النوى الذرية للاندماج ، فإنها تنتج ليس فقط أشعة جاما عالية الطاقة ولكن أيضًا النيوترينوات. بينما تقوم أشعة جاما بتسخين باطن الشمس على مدى آلاف السنين ، فإن النيوترينوات تخرج من الشمس بسرعة الضوء تقريبًا. تم اكتشاف النيوترينوات الشمسية لأول مرة في الستينيات ، ولكن كان من الصعب معرفة الكثير عنها بخلاف حقيقة أنها انبعثت من الشمس. أثبت هذا أن الاندماج النووي يحدث في الشمس ، ولكن ليس نوع الاندماج.
وفقًا للنظرية ، يجب أن يكون الشكل السائد للاندماج في الشمس هو اندماج البروتونات التي تنتج الهيليوم من الهيدروجين. تُعرف باسم سلسلة pp ، وهي أسهل تفاعل تخلقه النجوم. بالنسبة للنجوم الأكبر حجماً ذات النوى الأكثر سخونة والأكثر كثافة ، فإن التفاعل الأكثر قوة المعروف بدورة CNO هو المصدر المهيمن للطاقة. يستخدم هذا التفاعل الهيليوم في دورة من التفاعلات لإنتاج الكربون والنيتروجين والأكسجين. دورة CNO هي السبب وراء كون هذه العناصر الثلاثة من بين أكثر العناصر وفرة في الكون (بخلاف الهيدروجين والهيليوم).
في العقد الماضي ، أصبحت أجهزة الكشف عن النيوترينو أكثر كفاءة. كما أن أجهزة الكشف الحديثة ليست قادرة فقط على طاقة النيوترينو فحسب ، بل أيضًا مذاقها. نحن نعلم الآن أن النيوترينوات الشمسية التي تم اكتشافها من التجارب المبكرة لا تأتي من سلسلة نيوترينوات PP الشائعة ، ولكن من تفاعلات ثانوية مثل تحلل البورون ، والتي تخلق نيوترينوات عالية الطاقة يسهل اكتشافها. ثم في عام 2014 ، فريق اكتشف نيوترينوات منخفضة الطاقة تنتجها سلسلة pp مباشرة. أكدت ملاحظاتهم أن 99 ٪ من طاقة الشمس يتم توليدها عن طريق اندماج البروتون والبروتون.
بينما تهيمن سلسلة pp على الاندماج في الشمس ، فإن نجمنا كبير بما يكفي لدرجة أن دورة CNO يجب أن تحدث عند مستوى منخفض. يجب أن يكون ما يمثل 1٪ إضافية من الطاقة التي تنتجها الشمس. ولكن نظرًا لندرة نيوترينوات CNO ، يصعب اكتشافها. لكن في الآونة الأخيرة لاحظهم فريق بنجاح.
يتمثل أحد أكبر التحديات في اكتشاف نيوترينوات CNO في أن إشاراتها تميل إلى أن تكون مدفونة داخل ضوضاء النيوترينو الأرضية. لا يحدث الاندماج النووي بشكل طبيعي على الأرض ، لكن المستويات المنخفضة من التحلل الإشعاعي من الصخور الأرضية يمكن أن تؤدي إلى أحداث في كاشف النيوترينو الذي يشبه اكتشافات النيوترينو CNO. لذلك أنشأ الفريق عملية تحليل معقدة تقوم بتصفية إشارة النيوترينو من الإيجابيات الخاطئة. تؤكد دراستهم أن اندماج CNO يحدث داخل شمسنا عند المستويات المتوقعة.
تلعب دورة CNO دورًا ثانويًا في شمسنا ، لكنها أساسية في حياة وتطور النجوم الأكثر ضخامة. يجب أن يساعدنا هذا العمل في فهم دورة النجوم الكبيرة ، ويمكن أن يساعدنا في فهم أفضل لأصل العناصر الأثقل التي تجعل الحياة على الأرض ممكنة.
مرجع: تعاون Borexino. “دليل تجريبي على النيوترينوات المنتجة في دورة اندماج CNO في الشمس. ” طبيعة 587 (2020): 577
