Zoals alle sterren wordt onze zon aangedreven door de fusie van waterstof tot zwaardere elementen. Kernfusie is niet alleen wat sterren doet schijnen, het is ook een primaire bron van de chemische elementen die de wereld om ons heen vormen. Veel van ons begrip van stellaire fusie komt van theoretische modellen van atoomkernen, maar voor onze dichtstbijzijnde ster hebben we ook een andere bron: neutrino's die in de kern van de zon zijn gemaakt.
Telkens wanneer atoomkernen fusie ondergaan, produceren ze niet alleen hoogenergetische gammastralen, maar ook neutrino's. Terwijl de gammastralen het binnenste van de zon gedurende duizenden jaren verwarmen, zoeven neutrino's met bijna de lichtsnelheid uit de zon. Zonneneutrino's werden voor het eerst ontdekt in de jaren zestig, maar het was moeilijk om er veel over te weten te komen, behalve dat ze door de zon werden uitgezonden. Dit bewees dat kernfusie plaatsvindt in de zon, maar niet het type fusie.
De CNO-cyclus treedt in werking bij hogere temperaturen. Krediet: RJ Hall
Volgens de theorie zou de dominante vorm van fusie in de zon de fusie van protonen moeten zijn die helium produceert uit waterstof. Het staat bekend als de pp-keten en is de gemakkelijkste reactie voor sterren om te creëren. Voor grotere sterren met heter en dichtere kernen is een krachtigere reactie, bekend als de CNO-cyclus, de dominante energiebron. Deze reactie gebruikt waterstof in een cyclus van reacties met koolstof, stikstof en zuurstof om helium te produceren. De CNO-cyclus is een van de redenen waarom deze drie elementen tot de meest voorkomende in het universum behoren (behalve waterstof en helium).
In het afgelopen decennium zijn neutrino-detectoren veel efficiënter geworden. Moderne detectoren kunnen ook niet alleen de energie van een neutrino detecteren, maar ook de smaak ervan. We weten nu dat de zonne-neutrino's die in vroege experimenten zijn gedetecteerd, niet afkomstig zijn van de gewone pp-keten-neutrino's, maar van secundaire reacties zoals boorverval, die neutrino's met hogere energie creëren die gemakkelijker te detecteren zijn. Toen, in 2014, een team gedetecteerde laagenergetische neutrino's die direct door de pp-keten worden geproduceerd. Hun waarnemingen bevestigden dat 99% van de energie van de zon wordt gegenereerd door proton-protonfusie.
De energieniveaus van verschillende zonne-neutrino's. Krediet: HERON, Brown University
Terwijl de pp-keten de fusie in de zon domineert, is onze ster groot genoeg om de CNO-cyclus op een laag niveau te laten plaatsvinden. Het zou de oorzaak moeten zijn van die extra 1% van de energie die door de zon wordt geproduceerd. Maar omdat CNO-neutrino's zeldzaam zijn, zijn ze moeilijk te detecteren. Maar onlangs heeft een team ze met succes waargenomen.
Een van de grootste uitdagingen bij het detecteren van CNO-neutrino's is dat hun signaal de neiging heeft om te worden begraven in terrestrische neutrino-ruis. Kernfusie komt van nature niet voor op aarde, maar lage niveaus van radioactief verval van terrestrische rotsen kunnen gebeurtenissen in een neutrinodetector veroorzaken die vergelijkbaar zijn met CNO-neutrinodetecties. Dus creëerde het team een geavanceerd analyseproces dat het neutrino-signaal filtert van valse positieven. Hun studie bevestigt dat CNO-fusie plaatsvindt in onze zon op voorspelde niveaus.
De CNO-cyclus speelt een ondergeschikte rol in onze zon, maar staat centraal in het leven en de evolutie van zwaardere sterren. Dit werk zou ons moeten helpen de cyclus van grote sterren te begrijpen, en zou ons kunnen helpen de oorsprong van de zwaardere elementen die het leven op aarde mogelijk maken, beter te begrijpen.
Verwijzing:De Borexino-samenwerking. “ Experimenteel bewijs van neutrino's geproduceerd in de CNO-fusiecyclus in de zon .'Natuur587 (2020): 577