詹姆斯·贝利，承蒙桑迪亚国家实验室提供照片
桑迪亚国家实验室内的Z脉冲电力设施在聚焦点上创造出为时极其短的巨大能量。（桑迪亚国家实验室供图）
虽然我们每天都能见到太阳，太阳仍旧是个神秘难解的地方。它的内部不透光线，远方的仪器无法窥视内部，同时太阳太过炙热，探测器无法幸存。对于太阳内部振荡活动及其他性质的分析，给出了研究其内部构成的线索，但这些观测结果一度与太阳模型并不一致。
为了查明真相，桑迪亚国家实验室的一位实验物理学家詹姆斯·贝利（James Bailey）与同事们一起找到了一种再现太阳内部深处情况的方法，尽管实验为时很短，规模甚小，但意义重大。他们十年间所做的实验表明，答案大概在铁元素身上。铁元素有着阻碍辐射从太阳内部传播到外部的能力，它的不透光度比预计的更加高，在某种程度上纠正了理论与观测结果。贝利与《美国科学家》副主编费内拉·桑德斯讨论了他的团队取得的成果及其意义。
这张太阳在一年内的极紫外辐射复合相片显示出铁离子在60万开氏温度下的放射情况。铁是太阳的能量辐射中的关键元素（美国航空航天局供图）
问：为何太阳理论与观测结果在某个时间点不一致了？
答：在2000年前后，太阳物理学家都很欣喜，因为标准太阳模型做出的预测与基本上所有的观测结果相互一致，准确程度还非常高。但是在那段时间里，有人用新的分析技术处理了太阳的光谱。他们最终判定，与先前揣想的情况相比，必须得要削减太阳内部某些元素的含量，而削减的量还非常大。
这个结论在天文学界引起了轩然大波，因为太阳一直被用作是许多天体物理学研究的天体的衡量准绳。因此当某人取得进展，说太阳内的氧元素比以前认为的要少上50%，这基本上意味着整个宇宙中许多其他天体的氧元素含量也要少上50%。
问：太阳的元素含量怎么就与它的能量有关了？
答：日核中通过核反应产生能量，接着那些能量必须传播至外部。能量传播所耗费的时间大约是一百万年，这既是因为太阳庞大无朋，也是因为辐射必须先被吸收再放射，周而复始，如此既往，一直传递至太阳外部。这一过程影响了太阳的内部结构，也影响了温度与密度的空间剖面。
问：元素的含量与不透光度之间有什么关系？
答：太阳内部控制辐射传输的元素最初并未完全离子化；它们仍然拥有一些束缚电子。铁是不透光度的关键因素之一，氧元素是另一关键要素。当有研究人员说氧元素的含量必须降低，那么由氧元素贡献的不透光度也会更低。铁元素也是同样的道理，但他们并未改变铁元素的量。假如总的不透光度提高大约15%，以前观测结果与理论预测的一致便能得以恢复。问题在于，不透光度都是建立在既有的理论模型上的，而那些理论模型从未在恒星内部存在的情况下测试过。那就是我们研究的突破口。
桑迪亚国家实验室内的Z脉冲电力设施在聚焦点上创造出为时极其短的巨大能量。（桑迪亚国家实验室供图）
问：你是如何模拟太阳内部情况下的铁元素的行为的？
答：我们的研究设施产生了只维持了数十亿分子之一秒的庞大电能，数值上是整个地球发电量总值的许多倍。这是令人叹为观止的成就；我的研究楼在几百码之外，当机器启动时，我能感觉到地面的晃动。我们能把材料加热至太阳内部才存在的温度与密度。关键的进展是我们能用一块足够大、能受到精确操控的样本来做这一实验，从而能非常准确地测量诸多材料性质，譬如不透光度。
问：这一“足够大”的样本是什么呢？
答：像是一粒沙砾。听上去不是非常大，但在我们高能量密度物理学领域，我们和持续时间十分短、十分小的样本打交道。我们的实验只持续了大约三十亿分之一秒，但对这个领域来说，那其实是相当久的实验了。
问：你如何能判定铁元素真正的、更高的不透光度？
答：基本上，我们测量的是X光通过一块混有镁的薄片铁样本时的传输情况。我们测量的铁原子与太阳内部的铁原子所处状况相同。测量出的不透光度是波长的函数。我们发现，数据与模型之间有不小的矛盾。我们花费了过去的两年时间核对结果，做了更多实验，进行了更多分析，试图找出任何有可能让实验结果产生偏差的问题。至今为止，我们仍未发现任何差错。
问：这是不是你花费十年的工作来得出这一结论的原因？
答：合理地看待这件事的话，人们在过去的一百年里一直知道我们应该测量这些不透光度。只是，这是个极具挑战性的难题。所以，我们花费了十年光阴在这上面，这点并没让我感觉十分糟糕。今时今日的许多物理学研究都是高风险的研究，要耗费十年乃至更久时间来找出科学探究将引领你获知的真相。假如你打算做科学家，这就是人生必有的境遇；你必须得有恒心。
问：那么，你是否为自己获得这么引人注目的结果而感到幸运？
答：假如实验结果与模型一致，我一样会开心。那样仍然会是这些不透光度模型首次在太阳内部所存在的情况下得到确证。但另一方面，如今太阳物理学家将不得不继续寻找我们对于太阳的理解中存在的其他错漏。
问：因此，对于你获得的结果，始终存在着某些争议？
答：是的，肯定的。为什么铁的不透光度应该与预测值不同？我们眼下对于这个问题尚未有理论上的诠释。不透光度作为波长的函数，忽上忽下。我想，这会一直有所争议，直到我们对此有了更透彻的理解为止。
资料来源 American Scientist
责任编辑 彦 隐