桑迪亞國家實驗室Z機器的物理學家們在410萬華氏度（約228萬攝氏度）溫度下進行實驗，發現一個天文模型（40年來一直用來預測太陽的行為以及恆星的生死）低估了自由漂浮的鐵原子造成的能量阻塞，鐵原子在這些過程中起著重要作用。阻塞效應，稱為不透明度，是元素對通過它的能量的自然阻力，類似於不透明窗口對光線通過的阻力。

Sandia Group最新出版的《物理評論快報》期刊主要作者Taisuke Nagayama說：通過觀察理論和在Z實驗之間的現實世界差異，我們能夠確定插入太陽模型不透明數字的弱點。好消息是，桑迪亞國家實驗室不透明度測量可以解決廣泛使用的標準太陽模型，如何使用太陽成分來預測恆星行為的重大差異。直到2005年，SSM將存在的每個元素的數量與其不透明度相乘，解釋了觀測到的太陽溫度結構。

但是新天體物理觀測和更複雜的物理隨後促使天文學家修正了對太陽組成的預測。不幸的是，這些新的預測，插入到模型中，並乘以它們的不透明度，沒有考慮到太陽的溫度。有三種可能：要麼新的成分觀測不準確，要麼SSM是錯誤的，或者理論推導出的元素不透明度是不正確的。最好的解析度顯然來自於在與太陽內部溫度相同情況下進行的實驗。

太陽溫度下的實驗提供了答案

十多年前，Sandia研究人員開始將每一塊小於一角錢的鐵片插入Z靶區。當Z發射時，極熱將固體變成了存在於太陽中的等離子體(一種氣體)，但只持續了納秒。然而，對於研究人員來說，這段時間足夠長，可以通過每個樣本發送能量波，並測量通過的量。這個想法是第一次創建實驗室得出測量鐵在太陽溫度下不透明度的方法，以了解它是否與標準太陽模型計算中使用的理論數值相一致。

Nagayama表示，將鐵的不透明度增加到Z在多個獨立實驗中證明的程度，消除了計算太陽溫度和實際太陽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：天文學家對我們很滿意，因為我們說可能是不透明度數值是錯誤的，然後天文學家就不必想出一個新的模型，並以太陽為基準來預測恆星的演化，重新進行所有的計算。這是因為天文學家使用太陽組成作為宇宙的參考。將太陽中的含氧量減少50%，相當於將宇宙中的水(H2O)量減半。

金屬的驚喜

有許多系外行星圍繞類太陽恆星運行；修正對太陽的理解也將對理解這些系外行星產生重大影響。天文學家最喜歡不透明度假設，這就是目前所發現的。在相同的測試中，Sandia還測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）就好像鐵在離太陽核心越來越近的地方接受測試一樣。令人驚訝的是，這些元素在某些光子能量下產生的實驗不透明度結果與模型預測基本一致。儘管如此，它們與特定波長的不透明度預測不同，進一步完善了模型修正。

Nagayama表示：我們過去五年的工作重點是解決差異，然而，新結果意味著可能需要新的科學來解釋它們。為了解釋新實驗結果，物理學家正在研究新的模型。一種被稱為雙光子不透明度，它探索了一個元素一次可以吸收兩個光子而不是一個思想標準的想法。如果在模型中考慮這種多光子吸收，將增強計算出的鐵的不透明度，並可能解決差異。如果正確，新物理模型必須只計算鐵的不透明度增加，因為模型和數據已經適用於鉻和鎳。

其他實驗限制包括，在距太陽中心特定距離內，人們對太陽的結構知之甚少。如果在太陽模型下走得更深，這種差異是不是更嚴重？這完全取決於是什麼導致了這種差異，可能會發現，太陽核心的差異甚至更嚴重，或者問題可能被孤立到0.7太陽半徑附近的區域，該距離與進行這些實驗的能量相匹配。回答這些問題應該會導致一個更準確的模型。熱緻密等離子體實驗具有足夠的挑戰性，所不應該排除存在錯誤的可能性。

博科園｜研究/來自：桑迪亞國家實驗室

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.235001

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