ปฏิกิริยาการหลอมธาตุที่ซ่อนอยู่ในดวงอาทิตย์

     เช่นเดียวกับดาวฤกษ์ทุกดวง ดวงอาทิตย์ของเราเองก็ได้รับพลังงานจากการหลอมไฮโดรเจนเป็นธาตุที่หนักขึ้น นิวเคลียร์ฟิวชั่น(nuclear fusion) ไม่เพียงแต่เป็นสิ่งที่ทำให้ดาวฤกษ์ส่องสว่าง แต่มันยังเป็นแหล่งสารเคมีหลักๆ ที่สร้างสรรพสิ่งรอบๆ เราขึ้นมา 

     ความเข้าใจการหลอมธาตุในดาว ส่วนใหญ่มาจากแบบจำลองทฤษฎีเรื่องนิวเคลียสอะตอม แต่สำหรับดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้เรามากที่สุด เราก็ยังมีข้อมูลอื่นด้วย จากนิวตริโน(neutrino) ที่ถูกสร้างขึ้นในแกนกลางของดวงอาทิตย์ เมื่อใดก็ตาม ที่นิวเคลียสอะตอมเกิดการหลอมธาตุขึ้น พวกมันไม่ได้สร้างแค่รังสีแกมมาพลังงานสูงเท่านั้น แต่ยังสร้างนิวตริโนด้วย ในขณะที่รังสีแกมมาทำให้ภายในของดวงอาทิตย์ร้อนขึ้นตลอดช่วงหลายพันปี แต่นิวตริโนจะวิ่งออกจากดวงอาทิตย์ด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง

Proton-Proton chain เป็นปฏิกิริยาการหลอมไฮโดรเจน(หรือเรียกอีกอย่างว่าโปรตอน) ให้กลายเป็นฮีเลียม และสร้างพลังงานออกมา

     นิวตริโนของดวงอาทิตย์ถูกพบเป็นครั้งแรกในช่วงทศวรรษ 1960 แต่ก็ยากที่จะเรียนรู้เพิ่มเติมนอกเหนือจากความจริงที่ว่าพวกมันมาจากดวงอาทิตย์ นี่พิสูจน์ว่าการหลอมนิวเคลียสเกิดขึ้นในดวงอาทิตย์แต่ไม่ใช่การหลอมชนิดใดชนิดหนึ่ง จากทฤษฎี รูปแบบการหลอมในดวงอาทิตย์ควรจะเป็นการหลอมโปรตอนเพื่อสร้างฮีเลียมขึ้นจากไฮโดรเจน ซึ่งเรียกว่า โซ่โปรตอน-โปรตอน(proton-proton chain; pp-chain) ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่ง่ายที่สุดที่ดาวจะสร้างได้

     สำหรับดาวที่มีขนาดใหญ่กว่านี้จะมีแกนกลางที่ร้อนกว่าและหนาแน่นสูงกว่า ก็จะมีปฏิกิริยาการหลอมที่ทรงพลังที่เรียกว่า CNO-cycle เป็นแหล่งสร้างพลังงานหลัก ปฏิกิริยานี้จะใช้ไฮโดรเจนในวัฏจักรของปฏิกิริยาที่มีคาร์บอน, ไนโตรเจน และออกซิเจนมาเกี่ยวข้องเพื่อสร้างฮีเลียมขึ้นมา CNO cycle เป็นส่วนหนึ่งของเหตุผลว่าเพราะเหตุใดธาตุทั้งสามเหล่านี้จึงพบได้มากที่สุดในเอกภพ(นอกเหนือจากไฮโดรเจนและฮีเลียม)

     ในทศวรรษที่ผ่านมา เครื่องตรวจจับนิวตริโนได้พัฒนามีประสิทธิภาพเพิ่มมากขึ้น เครื่องตรวจจับรุ่นใหม่ๆ ยังสามารถตรวจจับไม่เพียงแต่พลังงานของนิวตริโน แต่ยังตรวจสอบเฟลเวอร์(flavor) ของมันได้ด้วย

     ขณะนี้เราทราบว่านิวตริโนจากดวงอาทิตย์ที่พบจากการทดลองก่อนหน้านี้ไม่ได้เป็นนิวตริโนจากโซ่โปรตอน-โปรตอน แต่จากปฏิกิริยาทุติยภูมิเช่น การสลายตัวโบรอน(boron decay) ซึ่งสร้างนิวตริโนพลังงานสูงกว่า ซึ่งตรวจสอบได้ง่ายกว่า จากนั้นในปี 2014 ทีมวิจัยทีมหนึ่งได้ตรวจพบนิวตริโนพลังงานต่ำที่สร้างจากโซ่โปรตอนได้โดยตรง การสำรวจได้ยืนยันว่า 99% ของพลังงานจากดวงอาทิตย์ถูกสร้างโดยการหลอมโปรตอน-โปรตอน

     ในขณะที่โซ่โปรตอน-โปรตอนเป็นการหลอมหลักของดวงอาทิตย์ ดาวฤกษ์ของเราก็มีขนาดใหญ่มากพอที่วัฏจักร CNO จะเกิดได้ในอัตราที่ต่ำ มันควรจะเกิดในสัดส่วนราว 1% ของพลังงานที่ดวงอาทิตย์สร้างขึ้น แต่เนื่องจากนิวตริโนของ CNO นั้นพบได้ยาก จึงยากที่จะตรวจจับด้วย แต่ล่าสุด ทีมวิจัยทีมหนึ่งก็ประสบความสำเร็จในการตรวจจับ

CNO Cycle เป็นการหลอมไฮโดรเจนอีกรูปแบบ ซึ่งมีธาตุคาร์บอน, ไนโตรเจนและออกซิเจน มาเกี่ยวข้องในฐานะตัวกลาง 

     หนึ่งในความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดกับการตรวจจับนิวตริโน CNO ก็คือสัญญาณของพวกมันมักจะฝังตัวอยู่ในสัญญาณกวนของนิวตริโนบนโลก การหลอมนิวเคลียสไม่ได้เกิดขึ้นในธรรมชาติบนโลก แต่ก็มีการสลายตัวกัมมันตรังสีระดับต่ำจากหินบนโลกที่สามารถรบกวนเครื่องตรวจจับนิวตริโนที่ดูคล้ายกับการตรวจจับนิวตริโนจาก CNO ได้ ดังนั้น ทีมจึงสร้างกระบวนการวิเคราะห์ที่ละเอียดอ่อนเพื่อกรองสัญญาณนิวตริโนลวงออกไป การศึกษาได้ยืนยันว่า CNO เกิดขึ้นภายในดวงอาทิตย์ตามระดับที่ทำนายไว้จริง นอกเหนือจากนี้ นิวตริโนจาก CNO ยังช่วยตอบคำถามสำคัญอีกข้อนั้นก็คือ ในใจกลางดวงอาทิตย์มีระดับความเป็นโลหะมากแค่ไหน ซึ่งสามารถตรวจสอบได้จากอัตรานิวตริโน CNO เท่านั้นซึ่งมีความสัมพันธ์กับความเป็นโลหะในที่อื่นๆ ทั่วดาว แบบจำลองทั่วไปต้องพบกับความยุ่งยาก เมื่อความเป็นโลหะที่พื้นผิวที่ตรวจสอบได้โดยการตรวจสอบสเปคตรัม ไม่สอดคล้องกับการตรวจสอบความเป็นโลหะใต้พื้นผิวลงไป ซึ่งบอกได้จากวิธีการที่แตกต่างออกไปคือ การสำรวจคลื่นไหวสะเทือนดวงอาทิตย์(helioseismology)

     วัฏจักร CNO มีบทบาทย่อยในดวงอาทิตย์ แต่ก็มีความสำคัญมากขึ้นกับชีวิตและวิวัฒนาการของดาวฤกษ์มวลสูงกว่า งานวิจัยนี้น่าจะช่วยเราให้เข้าใจวัฏจักรของดาวขนาดใหญ่ และอาจจะช่วยเราให้เข้าใจกำเนิดของธาตุหนักที่เป็นองค์ประกอบของชีวิตได้ดีขึ้น

     ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติประมาณร้อยคนที่กลุ่มความร่วมมือโบเรกซิโน(Borexino Collaboration) ใช้เครื่องตรวจจับที่อยู่ลึกภายใต้ภูเขาแอปเพนไนน์ ในอิตาลีตอนกลาง เพื่อตรวจจับนิวตริโนเป็นแสงวาบซึ่งเกิดขึ้นเมื่อนิวตริโนชนกับอิเลคตรอนในแทงค์ของเหลวบริสุทธิ์มากซึ่งมีขนาด 300 ตัน ความลึก, ขนาดและความบริสุทธิ์ทำให้โบเรกซิโนเป็นเครื่องตรวจจับที่เป็นอัตลักษณ์ในบรรดาเครื่องตรวจจับนิวตริโน โดยที่มีการแผ่รังสีพื้นหลังที่ต่ำ โครงการนี้เริ่มต้นในช่วงต้นทศวรรษ 1990 โดยทีมนักฟิสิกส์ที่นำโดย Gianpaolo Bellini จากมหาวิทยาลัยมิลาน, Frank Calaprice จากมหาวิทยาลัยพรินซตัน และ Raju Raghavan จากเบลล์แล็ป ซึ่งเสียชีวิตไปแล้ว

 

แหล่งข่าว sciencealert.com  : neutrino prove our Sun is undergoing a second type of fusion in its core
                sciencedaily.com : neutrinos yield first experimental evidence of catalyzed fusion dominant in many stars