當天文學家凝視太空深處時，他們感到不安：他們不確切地知道宇宙是由什麼構成的。
不僅暗物質的真正本質讓他們難以捉摸；天空中點綴的星星以及宇宙中眾多星系的本質也讓他們困惑。令人驚訝的是，沒有人知道恆星的確切化學成分：相對於最常見的元素氫，它們有多少碳、氮和氧原子。
這些數字至關重要，因為它們影響恆星的生老病死、行星的形成型別，甚至可能影響生命在其他世界出現的難易程度。
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二十年前，天文學家對他們一直使用的數字表示有信心。現在，情況並非如此。問題不在於遙遠的宇宙角落，而在於離我們家更近的地方。令人震驚的是，科學家們並不確切地知道太陽是由什麼構成的。因此，他們也不知道其他恆星是由什麼構成的。
儘管太陽的確切氧丰度存在爭議，但沒有人否認，比太陽質量大得多的恆星——類似於現在在獵戶座星雲（如圖所示）中誕生的最亮的恆星——鍛造了今天地球和整個宇宙中發現的大部分氧氣。圖片來源：NASA、ESA、M. Robberto（太空望遠鏡科學研究所/ESA）和哈勃太空望遠鏡獵戶座寶藏專案團隊
“太陽是一個基本的衡量標準，”德國加興馬克斯·普朗克天體物理研究所的天體物理學家馬丁·阿斯普倫德說。“當我們確定宇宙中任何地方的恆星、星系或氣體雲中某種元素的丰度時，我們都以太陽為參考點。”
這是有道理的。太陽佔太陽系質量的 99.86%。任何諮詢相同比例選民的民意調查員都可以毫無問題地預測下次選舉的結果。
太陽在銀河系中的位置也使其成為整個星系的良好代表。正如政治觀點從城市核心到鄉村各不相同一樣，恆星丰度也從銀河系中心到邊緣發生變化，而太陽恰好處於完美的位置——大約在銀河系中心到其恆星盤邊緣的中間位置——可以代表整個星系。
更重要的是，宇宙中大多數恆星都存在於像銀河系這樣的大型星系中，這使得太陽成為整個宇宙的試金石。
此外，太陽非常明亮，天文學家可以極其精確地研究其光線的細節。這應該使他們能夠確定太陽化學元素的精確丰度。
近一個世紀以來，天文學家一直透過觀察恆星的化學成分是否與太陽的化學成分相匹配來判斷恆星是否正常。我們附近的絕大多數恆星都是如此；有些則不然。
這就是為什麼阿斯普倫德及其同事在 2009 年《天文學和天體物理學年評》上發表的關於太陽化學成分的文章獲得了來自同行科學家 4000 多次學術引用：天文學家不斷地將恆星和星系與太陽進行比較。它是通用的標準。
但阿斯普倫德的工作是有爭議的。他和他的同事使用了新的模型來分析陽光，發現太陽中最常見的重元素（包括碳和氧）的含量與之前的計算相比大幅降低。（天文學家將大多數比氦重的元素稱為“重元素”。）因此，阿斯普倫德的工作意味著，其他恆星乃至整個宇宙的重元素含量都比之前認為的要少得多。
太陽包含多少種最常見的四種重元素——氧、碳、氖和氮？此圖表顯示了數十種元素的相對丰度（藍色點，標記了最常見的元素），以對數刻度表示，其中氫原子的數量設定為 12。（丰度為 11 的元素是氫的十分之一；如果為 10，則為氫的百分之一；依此類推。）1989 年，標準氧丰度為 8.93，這意味著每氧原子有 1175 個氫原子。然而，在 2009 年，馬丁·阿斯普倫德傾向於僅為 8.69 的氧丰度，這意味著每氧原子有 2042 個氫原子。碳、氮和氖的估計丰度也大幅下降。
以氧為例。“這是宇宙中最豐富的重元素，”俄亥俄州立大學的天文學家馬克·平松內奧特說。他一直是阿斯普倫德數字的批評者，因為它們導致與對太陽內部的觀測結果相沖突。
“太陽是我們實際測量氧含量的方法之一。因此，如果阿斯普倫德是正確的……這意味著宇宙中的氧氣含量減少了 40%，因為我們所有的測量結果都要乘以我們對太陽的假設，”平松內奧特說。
這場爭議已經持續了 20 年；雙方都沒有向對方讓步。“我們還沒有找到答案，”聖路易斯華盛頓大學的宇宙化學家凱瑟琳娜·洛德斯說，她從隕石中推斷出丰度，並稱這場長期存在的爭端令人沮喪。“我認為‘我們遺漏了什麼？’是科學家面臨的最大挑戰之一。怎麼會這樣，竟然有我們無法解釋的東西？一定有一個答案。”
阿斯普倫德提倡的較低水平的氧氣和其他重元素不僅造成了不確定性，也造成了麻煩。“我早就懷疑這會引發衝突，”他說。
然而，阿斯普倫德和平松內奧特都表示，這場辯論是友好的。“我們在科學解釋上存在非常嚴重的分歧，”阿斯普倫德說，“但我們非常樂意之後一起出去喝啤酒。”
幸運的是，各種當前和未來的實驗最終可能會解決這個問題。
氧氣：一種關鍵元素
儘管存在爭議，但每個人都對基本知識達成一致：太陽主要由氫和氦兩種最輕的元素組成。它透過將氫轉化為氦的核反應在其中心產生能量。但由於阿斯普倫德的工作，接下來最豐富的元素的含量都存在爭議。
這非常重要。氧氣幾乎佔宇宙中所有重原子的一半。這些原子中的大多數可以追溯到比太陽質量大得多的恆星的誕生。在它們明亮但短暫的生命後期，這些恆星將四個氦核融合在一起以製造氧氣。恆星最終會爆炸，噴射出賦予生命的元素。僅僅一次超新星就可以噴射出超過一個太陽質量的氧氣。如果太陽以及整個宇宙中的氧氣含量像阿斯普倫德認為的那麼低，那麼這些產生大量氧氣的恆星的生產力就比人們認為的要低得多。
宇宙中幾乎一半的重原子是氧（按原子數量而不是重量衡量）。僅四種元素——氧、碳、氖和氮——就佔所有重原子的 88%，但它們相對於氫的確切數量一直存在爭議。
氧氣的重要性在顯而易見和不顯而易見的方式中都至關重要。顯而易見的是：我們需要氧氣來呼吸。不那麼明顯的是：我們腳下岩石中一半以上的原子是氧原子。而且，這種元素在我們太陽系中所有行星的形成中都發揮了重要作用。
氧氣的關鍵重要性還不止於此。畢竟，每個水分子中都含有一個氧原子。“水對生命至關重要，”洛德斯說。“水對生命的形成至關重要。”所以沒有氧氣，就沒有水，也就沒有生命。
繼續前進吧，任性的太陽
儘管關於太陽中氧氣和其他重元素丰度的爭論影響深遠，但這場醞釀中的爭議卻始於偶然。在 20 世紀 90 年代後期，阿斯普倫德想研究古代恆星，這些恆星只有少量的重元素。不過，他首先認為最好更好地確定太陽的成分。
為了做到這一點，他和他的同事開發了新的模型來解釋太陽光譜，即我們恆星發出的彩虹色。不同元素的原子吸收不同波長的光，產生所謂的光譜線。太陽表面存在的特定元素原子越多，原子吸收的光就越多，光譜線就越強。因此，光譜線可以揭示元素相對於氫的丰度，氫是太陽的主要成分。
由於太陽設定了標準，科學家可以比喻地在一束陽光中看到整個宇宙：透過分析太陽光譜，他們可以確定整個宇宙中氫、碳、氮和氧的比例。
阿斯普倫德的新模型比以前的模型複雜得多，避免了簡化和近似。“我並沒有真正期望這會改變太陽的丰度，”他說。“這有點像幸運的一擊。”
可以分析太陽光譜（如圖所示）以揭示太陽構成成分的線索。太陽表面的原子吸收特定的顏色，在觀察到的光譜中留下暗光譜線。每條線的強度都說明元素的丰度。深紫色中的 H 線和 K 線來自鈣；黃橙色 D 線對來自鈉；紅色 C 線來自氫。氧的光譜線很難分析。
在他的模型中，宇宙中最豐富的四種重元素都受到了重大打擊。與 20 年前釋出的數字相比，阿斯普倫德及其同事在 2009 年的文章中建議大幅降低數值。新模型將太陽以及宇宙中估計的氧含量大幅削減了 42%。碳（另一種生命的先決條件）下降了 26%，而氖和氮的含量分別下降了 31% 和 40%。
透過所有計算，這四種元素佔宇宙中絕大多數（阿斯普倫德的工作中為 88%，其他數字中略多）重原子。如果阿斯普倫德是對的，那麼宇宙中這些元素的含量遠低於任何人的想象。這意味著太陽內部模型會遇到巨大的麻煩。
太陽內部
像氧氣這樣的重元素會改變太陽內部，因為它們會吸收輻射，輻射會從太陽核心向外到達表面。使用舊的太陽丰度，天文學家認為他們已經弄清楚了太陽的內部，這要歸功於一種稱為日震學的技術。正如我們的世界有地震一樣，太陽的內部也隨著聲波振動。正如地震學家使用地震來推斷地球內部的結構一樣，在太陽中傳播的振動也揭示了其內部結構。
例如，在太陽內部的大部分割槽域，輻射從原子到原子之間反彈，緩慢地將熱量從核心向外傳遞。然而，在太陽的最外層部分，物質更冷且更不透明，這主要是因為氧氣等重元素會吸收光子。這種不透明性意味著光子無法在那裡傳遞熱量。相反，一種稱為對流的過程開始了：熱氣體上升到太陽表面，輻射熱量，然後冷卻並沉回。當您煮一壺水時，您會看到類似的情況。
日震學精確地指出了太陽輻射內部和對流包層之間的邊界位置。“這在聲波中表現為一個故障，”平松內奧特說。因此，我們知道這個邊界恰好發生在太陽半徑的 71.3% 處。但如果太陽實際上含有較少的氧氣、碳、氖和氮，那麼太陽內部的不透明度就會降低，從而使輻射能夠將熱量從太陽中心傳遞得更遠，這與日震學觀測結果相矛盾。“要麼我們不瞭解太陽，要麼[新的太陽丰度]是錯誤的，”平松內奧特在 2011 年的演講中說，他在演講中贊成更高的氧丰度。
太陽核心中的核反應產生能量，然後能量透過輻射和對流向外傳輸。日震學觀測揭示了輻射區和對流區之間邊界的位置。舊的元素太陽丰度將這個邊界置於完全觀測到的位置；修訂後的元素丰度則不然。
儘管如此，平松內奧特承認阿斯普倫德的新模型優於以前的模型，並且他們對太陽丰度的重新確定應該是有效的。首先，阿斯普倫德的模型考慮了對流，而早期工作忽略了對流。他的團隊還認識到，一條據稱來自氧氣的紅色光譜線實際上是氧氣和鎳的混合物；減去鎳的貢獻導致氧丰度降低。
大部分問題源於氧原子本身。“它只是一個問題兒童，”平松內奧特說。“它一直是個問題兒童。”
儘管氧氣很常見，但它在陽光下產生的光譜線很少，而且所有光譜線都難以分析，因此該元素幾乎沒有留下關於其丰度的線索。“相比之下，每個人都同意太陽的鐵丰度，”平松內奧特說。這是因為鐵產生了大量光譜線，可以進行分析。
像洛德斯一樣，平松內奧特稱這場看似永恆的爭端令人沮喪。“令人驚訝的是，很難獲得新資訊來解決這個問題，”他說。“我們只需要新資料才能破解這個問題。”
太陽下的新事物
幸運的是，新的資料即將到來。在實驗室中，物理學家可以透過將不同的元素置於太陽內部普遍存在的熾熱溫度下，來測量這些元素的不透明度。近年來，科學家們已將這些實驗誘導到更高的溫度——足夠熱以探測太陽表面深處、對流輻射邊界處的條件——並在足夠大且壽命足夠長的等離子體中產生精確的數字。
2015 年，桑迪亞國家實驗室的實驗物理學家吉姆·貝利和他的同事報告說，太陽中鐵的不透明度確實高於預期。“我們的結果讓天文學界非常高興，”他說，“因為這意味著至少存在一種希望，他們可以協調他們認為的最佳丰度估計值與標準太陽模型和日震學。”
貝利現在已將注意力轉向氧氣，並預計在三年內獲得他的第一個結果。如果證明氧氣比目前計算的更不透明，那麼太陽就不需要那麼多氧元素來維持觀測到的輻射對流邊界的位置。這可以消除新太陽丰度與日震學之間的差異。
與此同時，阿斯普倫德和平松內奧特都指出了另一個有希望的解決方案。當太陽核心產生能量時，它會發出中微子，這是一種幽靈般的粒子，它們會快速飛走並在大約八分鐘後到達地球。正在進行的對這些中微子的研究應該為估計元素丰度提供一種新的方法。這是因為某些中微子是在一個過程中產生的，該過程使用碳、氮和氧作為催化劑，將氫轉化為氦。
這個 CNO 迴圈僅產生太陽能量的約 1%，但太陽中真正的碳、氮和氧越多，應該存在更多的 CNO 中微子。六年前，物理學家使用義大利的 Borexino 實驗探測到了來自太陽主要核反應的中微子。本週，Borexino 研究人員宣佈，同一實驗已經發現了CNO 中微子，這意味著他們幫助揭示太陽丰度只是時間問題。
CNO 迴圈僅產生太陽能量的 1%，但有一天可能會揭示太陽包含多少碳、氮和氧。在這個複雜的迴圈中，碳、氮和氧核催化氫到氦的核反應，但不會在此過程中被消耗掉。CNO 迴圈將四個質子轉化為一個氦核，產生能量並釋放出兩個中微子（品紅色）。物理學家最近宣佈，他們首次能夠探測到這種型別的中微子。
最終結論？
洛德斯指出了另一個希望的理由。曾經，天文學家爭論宇宙鐵丰度：太陽光譜給出的水平與隕石的水平不同。“這在很長一段時間裡都是一個謎，”她說。當宇航員使用新測量的鐵原子引數並修改了他們對太陽鐵丰度的計算時，這場辯論結束了，證明了隕石結果的正確性。
阿斯普倫德預計正在進行的不透明度和中微子實驗將解決這場爭議。“我不會為此賭上我的房子，”他說，“但如果我們實際上在 10 年內都不知道答案，我會非常失望。”
本文最初發表於 Knowable Magazine，這是 Annual Reviews 的一項獨立新聞事業。註冊新聞通訊。