聆聽太陽之聲：科學家解碼其隱藏秘密

科學家透過研究太陽的聲波，正逐步揭開太陽隱藏的動態變化，精進恆星模型，並對系外行星和核融合研究產生影響。他們開發出一種突破性的方法，運用日震學在極端條件下測量太陽的輻射不透明度。這項創新研究成果發表於《自然通訊》期刊，該方法不僅凸顯出我們在原子物理學理解上的差距，也驗證了近期的實驗發現，為天體物理學和核物理學開啟了令人興奮的新可能。

日震學主要研究太陽的聲學振盪，能讓科學家以極高的精準度探索太陽的內部結構。透過分析這些聲波，研究人員可以確定太陽電漿的關鍵特性，包括密度、溫度和化學組成。這些洞察對於理解太陽如何運作以及隨時間如何演化至關重要。這種方法實質上將太陽變成了一個天然的天體物理實驗室，提供了精煉恆星模型所需的重要資料，也加深了我們對宇宙中恆星形成和演化的認識。

在一項由列日大學的蓋爾·布林根領導的國際研究中，科學家運用日震學技術，獨立測量了太陽深層電漿對高能輻射的吸收情況。這項突破性研究為太陽輻射不透明度提供了新的見解，而輻射不透明度是理解太陽核心極端條件下物質與輻射如何相互作用的關鍵因素。

研究結果與桑迪亞國家實驗室等知名機構的觀測結果相符，也與利弗莫爾國家實驗室正在進行的研究一致，同時凸顯出我們在原子物理學理解上的不足。值得注意的是，研究揭示了洛斯阿拉莫斯國家實驗室、俄亥俄州立大學和法國巴黎 - 薩克雷研究中心等研究團隊的理論預測之間存在差異，強調了進一步研究的必要性。

科學團隊運用了列日大學開發的先進數值工具，這些工具基於該大學在日震學和恆星建模方面的專業知識。蓋爾·布林根解釋說，透過以前所未有的精準度檢測太陽的聲波，我們可以重建太陽的內部特性，就像從樂器發出的聲音推斷其特性一樣。日震學測量的精準度非常高，它能讓我們估算太陽內部一立方公分物質的質量，其準確度甚至超過高精度的廚房秤，而且無需看到或觸控這些物質。

日震學於20世紀末發展起來，在推動基礎物理學方面發揮了重要作用。尤其是它促成了諸如中微子振盪等重大發現，這一發現於2015年獲得諾貝爾獎。這些進展表明，太陽模型並非中微子振盪現象的根源，但在2009年太陽化學組成修訂（2021年得到確認）後，仍需要對太陽模型進行調整。這次修訂引發了太陽模型的危機，因為它們不再與日震學觀測結果相符。

為了應對這一挑戰，列日大學開發了先進的工具，最初是作為博士論文工作的一部分，隨後透過與伯明翰和日內瓦的國際合作得到完善。這些工具使我們能夠重新審視太陽的內部熱力學條件，並重新探討一個科學界有些忽視的問題。與此同時，桑迪亞國家實驗室的詹姆斯·貝利在2015年的研究強調了輻射不透明度的關鍵作用。最初的實驗測量結果遭到了一些懷疑，因為它們與理論預測存在顯著差異。

如今的日震學測量提供了寶貴的驗證，並能確定這些實驗應集中的溫度、密度和能量範圍，以便更好地再現太陽條件。此外，Z機實驗雖然非常有價值，但需要高昂的能量和財務成本。相比之下，日震學測量提供了一種經濟且互補的替代方案，同時為實驗人員指明瞭實驗室測量的最佳視窗。

這項研究的影響遠不止於恆星建模。它提高了用於估算恆星和系外行星年齡與質量的理論模型的準確度，從而有助於我們理解星系演化和恆星族群。蓋爾·布林根補充說，太陽是我們研究恆星演化的重要校準器，是我們確定研究方向是否正確的首選實驗室。隨著我們準備在2026年發射PLATO衛星，這些結果顯得尤為重要，該衛星的目標之一是精確描述太陽型恆星，以尋找適合居住的類地行星。此外，這些結果在核融合研究中也有重要意義，因為太陽仍然是我們太陽系中唯一穩定的核融合反應器。改善我們對太陽內部條件的理解直接影響核融合能源研究，這是開發清潔能源解決方案的關鍵問題。

研究結果強調了改進現有原子模型的必要性，以解決實驗觀測和理論計算之間的差異。這些進展將重新定義我們對恆星演化以及支配恆星結構和演化的物理過程的理解。這項研究確立了列日大學在天體物理科學前沿的地位，展示了日震學在解開宇宙奧秘方面的關鍵作用。

參考文獻：Helioseismic inference of the solar radiative opacity by Gaël Buldgen, Jean - Christophe Pain, Philippe Cossé, Christophe Blancard, Franck Gilleron, Anil K. Pradhan, Christopher J. Fontes, James Colgan, Arlette Noels, Jørgen Christensen - Dalsgaard, Morgan Deal, Sergey V. Ayukov, Vladimir A. Baturin, Anna V. Oreshina, Richard Scuflaire, Charly Pinçon, Yveline Lebreton, Thierry Corbard, Patrick Eggenberger, Peter Hakel and David P. Kilcrease, 27 January 2025, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467 - 024 - 54793 - y