(született: 1996 szeptember 16) (várható megjelenés: 1996 november) A napneutrínók rejtélyei Újtípusú energiatermelés a Napban A Nap energiatermelése A múlt század végén Helmholtz és Kelvin kiszámították, hogy ha a Nap a legjobb minőségű kőszénből állna, akkor 8000 év alatt el kéne égnie ahhoz, hogy a mai fényességén tudjon sugározni. Ha pedig a Nap összehúzódásából felszabaduló gravitációs energia fedezné a Nap energiaszükségletét, ebből 24 millió éves élettartam adódna. Azt azonban már a múlt században is tudták, hogy bolygónk korát legalább év-százmilliókban kell mérni. A Napba hulló meteoritok, kozmikus por, üstökösök úgyszintén energiaforrásnak tekinthetők. De a Nap energiájának pótlására évente a Föld tömegénél nagyobb tömegnek kellene a Napba hullania, és ismereteink szerint ez nagyságrendekkel több a valóságos anyagmennyiségnél. Így vált egy újtípusú energiatermelés szükségessé. Erre az újtípusú energiatermelésre Bethe (1939) és Salpeter (1952) javasolták a szén-nitrogén-oxigén (CNO) és a proton-proton ciklust (lásd pl. Hédervári Péter: Csillagunk: a Nap. Budapest, 1980, 28. o.), amelyben a hidrogén héliummá átalakulásakor felszabaduló magenergia, a hélium atommagjának és a hidrogén atommagok, a protonok tömegkülönbsége fedezi a Nap energiáját. Ezt a javaslatot mint egyetlen alkalmas jelöltet fogadták el a Nap energiatermelésének magyarázatára. A hipotézis első közvetlen kísérleti ellenőrzésére a hetvenes évektől került sor, a neutrínó-detektorok megépítésével. A protonok hélium-maggá tömörülése ugyanis csak úgy lehetséges, hogy eközben két proton neutronná alakul, hiszen a héliummag két protonból és két neutronból áll. A protonok neutronná alakulását viszont neutrínó-kibocsátás kíséri. A neutrínók számának és energiájának megfigyelése így közvetlen ellenőrzését adhatja a Nap magjában lezajló magreakcióknak. A Nap energiatermelő reakcióinak első kísérleti ellenőrzése a várakozásokkal ellentétes eredményeket adott. A proton-proton ciklusban várható neutrínók számának a különböző típusú neutrínó detektorok csak egyharmadát-felét-kétharmadát mutatták ki. Az egyes neutrínó-detektorok különböző energiatartományokban mérnek, és így a hiányzó neutrínók számából a neutrínók energia szerinti eloszlására is következtetni lehet. A hiányzó napneutrínók rejtélye a mai fizika és csillagászat egyik legnagyobb rejtélyévé vált az elmúlt évtizedekben. Lehet, hogy mégsem ismerjük jól a Nap energiaforrását? A hidrogén-atommagok, a protonok héliummá épülése közben a standard elképzelés szerint előbb berillium, majd a berilliumból bór-atommagot is felépítenek. A mérések viszont arra utalnak, hogy a berillium képződését kísérő neutrínókból jóval több hiányzik, mint a bór bomlásából származó neutrínókéból. Ha viszont kevesebb a berillium a Napon, akkor azokból nem képződhet viszonylag több bór! Ez a probléma egy újabb neutrínó-problémaként vált ismertté az elmúlt években. Harmadszor, a standard napmodellben a Nap egyenletesen termeli az energiát. Ha bármely okból kis zavar lépne fel a Nap energiatermelésében, amely a Nap magjának felmelegedésével járna, akkor a Nap magja a többlet-hőtől kitágulva lehűlne, és így visszaállna az eredeti hőmérséklet; fordítva, a napmag lehűlésekor fellépő összehúzódásban gravitációs energia szabadulna fel, amely ismét felfűtené a napmagot, felgyorsítaná a magreakciókat, és ez ismét helyreállítaná az eredeti hőmérsékletet. Az ilyen hőmérsékleti eredetű tágulás-összehúzódás időskálája a számítások szerint tízmillió év, ugyanaz a Kelvin-időskála, amely a Nap gravitációs energiaforrásával adódó élettartamnál szerepel. A napmag tehát az ilyen, a napmag egészét érintő zavarokkal szemben stabil. A neutrínók száma azonban, úgy tűnik, változó. A GALLEX gallium-alapú neutrínó-detektor, amely a gallium germániummá alakulásával észleli a neutrínókat, az idén nyáron Helsinkiben megrendezett Neutrínó-96 konferencián bejelentett eredmények szerint az 1994 október 12 - 1995 október 4 közt eltelt időszakban 14 mérést végeztek (ez a harmadik GALLEX jelentés, GALLEX-III) , és ezek átlaga a standard napmodell szerinti várható értéknek csak 41 százalékát adta. Mivel éppen a GALLEX mérései adták az eddigi viszonylag legmagasabb 2/3-os értéket, és ez a 2/3-os arány mint kritikus küszöbérték még éppen összefért azzal az elképzeléssel, hogy a Nap energiáját a protonok héliummá épülése adja, ezért a GALLEX-III mérései, amennyiben nem egyszerűen mérési hibának vagy statisztikai ingadozásnak tulajdoníthatók, a Nap energiatermeléséről alkotott képünk, a proton-proton ciklus szinte kizárólagos voltának első kísérleti cáfolatát jelentik! Márpedig a GALLEX kutatócsoportjának jelentése szerint a hibák együttesen 10% alatti eltérést okozhatnak - és így még szélső esetben is csak 51%-ot érhetnek el, a szükséges minimális 56%-os érték alatt maradva. Legalábbis erősen valószínűtlen, hogy egy ilyen jelentős eltérés csupán mérési bizonytalanságnak tulajdonítható. Ráadásul egy független mérési sorozat ugyanerre az eredményre vezetett: a KAMIOKANDE neutrínódetektor, amely eddig a standard neutrínófluxus átlagban 49 százalékát mérte, legújabb méréseivel (KAMIOKANDE III) úgyszintén az eddigi legalacsonyabb értéket kapta, 34%-ot! Ezek az új mérések a neutrínóproblémát alapvetően új megvilágításba helyezik. Mert ha a mért fluxus ilyen alacsony szintre eshet vissza, akkor a proton-proton ciklus egyedül nem képes a Nap energiáját biztosítani, és így ismét szembetaláljuk magunkat a problémával: milyen újabb energiaforrás biztosítja a Nap energiaellátását? Ezt a kérdést még csak föl sem merték vetni az új eredmények bejelentésekor. Megelégedtek annyival, hogy egyszerűen mérési hibának, bizonytalanságnak tulajdonítsák az eredményeket, a KAMIKOANDE és a GALLEX eredményeinek egybevágását pedig egyszerűen figyelmen kívül hagyták. Világos, hogy alapvető problémáról van szó, és ugyanakkor az is világos, hogy jelentősnek tűnő elméleti megfontolások szerint a Nap magja, amelyben a neutrínók termelődnek, nem változhat meg pár év alatt, hiszen hőtágulási időskálája tízmillió éves. Ráadásul nyilvánvalóan egyszerűen nincs más szóbajöhető lehetőség a Nap energiájának fedezésére. Annyit elismernek, hogy a neutrínóproblémák léteznek, de úgy gondolják, hogy ezek a problémák a neutrínók fizikai tulajdonságaival magyarázhatók. A Nap magjával összefüggő jelentős asztrofizikai problémák tekintélyes soráról (lásd G. A.: Csillagzene a napmagból, Harmadik Szem, 1993 július) azonban nem tudnak. Ez részben érthető is, hiszen a neutrínódetektoroknál nem csillagászok, hanem fizikusok dolgoznak - de ettől még a napmag asztrofizikai problémái fennállnak, és puszta létük tanúsítja, hogy a neutrínó fizikai tulajdonságai bármifélék is legyenek, azok az asztrofizikai problémákat nem tudják megoldani, tehát a napneutrínók problémájának gyökere a csillagászatban és nem csak a neutrínófizikában rejlik. 1996 szeptemberében újabb nemzetközi csillagászati konferenciát rendeztek Bonnban, amelynek egyik központi témája a Nap neutrínóinak problémája volt. A konferenciára (amelyet az ENSZ és a European Space Agency rendezett) meghívták a GALLEX egyik vezető kutatóját és több, a napneutrínók kutatásában új eredményeket elért kutatót. Szakmai elismerésnek számítható, hogy nemcsak előadás tartására kértek fel, hanem a napfizikai szekció elnökének is. Ezen a találkozón mutattam be a legújabb eredmények értelmezésére is alkalmas számításaimat, a napmag dinamikus modelljét. A megoldás egyszerűen azt igényli, hogy a proton-proton reakcióban termelődő neutrínók (pp-neutrínók), a berillium-neutrínók (Be-neutrínók) és a bór-neutrínók (B-neutrínók) termeléséhez tartozó jellemző hőmérsékleteket önállóan változó hőmérsékleteknek tekintsem. A kidolgozott dinamikus napmagmodell fényt vetett a hiányzó neutrínók problémájának magyarázatán túl a berillium-probléma megoldására - sőt egy újabb neutrínóprobléma létére mutatott rá: eszerint a naptevékenység minimuma idején a Napban a szén-nitrogén-oxigén ciklus neutrínóinak száma hirtelen megnő! Dinamikus napmagmodellemben új energiaforrást kellett fölvegyek a Nap energiájának ellátására: ezt a napmag helyi termonukleáris robbanásai biztosítják. Ezek a körülbelül kétszáz méteres, a Nap méretéhez képest pontszerűnek tekinthető forró buborékok többszázmillió fokos hőmérsékletük miatt képesek a Nap teljes kisugárzott energiájának akár felét-háromnegyedét is biztosítani! Elméletem szerint (lásd az irodalomjegyzéket) a Nap magjában állandó termonukleáris instabilitás uralkodik. Mivel a magreakciók sebessége és ezzel a hőtermelés a hőmérséklet növekedésével hatványozottan nő, viszont a hőelvezetés sugárzással és hővezetéssel ennél lassúbb, ezért ha valamitől bármely körzetben megnő a hőmérséklet, az a hőmérséklet további növekedését idézi elő. Ugyanerre a felfedezésre jutott tőlem függetlenül Zeldovics, Blinnyikov és Sakura. De mitől nő meg a hőmérséklet egy adott körzetben? Megnőhet például az atomok hőmozgásának véletlenszerű jellege miatt. Az atommagok ütközéseinek véletlenszerű jellege meghatározott valószínűséget ad annak, hogy egy adott körzetben az ütközések éppen olyanok legyenek, hogy az adott körzetbeli atommagok energiájának növekedésével járjanak. Csakhogy számításaim szerint minél kisebb egy ilyen körzet mérete, annál lassabban növekedik hőmérséklet-többlete, és annál gyorsabban képes környezetével egyensúlyba kerülni, például mert egy kis buborék tágulási időskálája is rövidebb. Ezért a kisméretű körzetben fellépő véletlenszerű hőmérsékleti zavarok lecsillapodnak. Létezik azonban egy, a zavarok térbeli méretéhez tartozó kritikus küszöbérték, amely fölötti nagyságú zavarok már nem csillapodnak le, hanem robbanásszerűen növekednek, amíg el nem érnek egy olyan másik kritikus méretet, amelynél kilövődnek a napmagból. Szemléltetésül: képzeljük el a napmag állandó egyensúlytalanságát úgy, mint egy hullámzó tenger felszínét. Ezen a tengeren millió hullám csap fel, kisebbek és nagyobbak egyaránt. A kisebb hullámok eleinte fölmagasodnak, majd visszahullanak a tengerbe, míg máshol újabb hullámok képződnek. A napmag hullámai a tenger hullámaitól annyiban különböznek, hogy a nagy hullámok nem süppednek vissza a tengerbe, hanem kilövődnek az égbe! Ezen a fantasztikus tengeren soha nincs nyugalom, amit a standard napmodell megkövetelne. A csillagok létének ez az alapvető egyensúlytalanság egy lényeges, eddig figyelembe nem vett sajátsága. Ez az egyensúlytalanság a csillagmagokban módosítja a részecskék hőmozgását, energiaeloszlását, és emiatt valami olyasmi a helyzet, mintha nem egyféle hőmérsékletű lenne a csillaganyag, hanem - a hullámok csúcsaihoz tartozóan - egy másik hőmérséklet is jelen lenne egyidejűleg a csillaganyagban! A két “ hőmérséklet” között a csillaganyag hőmérséklete nincs kiegyenlítődve, egyfajta megbolydult állapotban van, és emiatt megváltoznak a magreakciók hatáskeresztmetszetei, az energiatermelés módjai. Emellett a forró buborékokban újtípusú magreakciók zajlanak le a magasabb hőmérséklet miatt. Ez a jelenség így alapjában módosítja a csillagok energiatermeléséről alkotott képünket. Grandpierre Attila Irodalomjegyzék: Grandpierre Attila: Hogyan működik a
Nap? Harmadik Szem, 1992 szeptember, október; |