太陽の内部がどうなっているのか、まだよくわかっていませんが、近いうちに状況が変わるかもしれません。

太陽が顔を温めるとき、肌に当たるのは太陽光線だけではありません。微量の質量を持つ幽霊のような粒子であるニュートリノも一緒に飛んできます。毎秒何兆個ものニュートリノが体内に入り、そのまま地面に落ちて、ほぼ光速で地球を駆け抜けます。

科学者たちは何年もかけてこのニュートリノの集中砲火を詳しく調べ、太陽がニュートリノをどのようにして作り出し、放出するのかを正確に理解しようとしてきた。太陽のエ​​ネルギーの 99 パーセントは 1 種類の核融合反応から生じているが、残りの 1 パーセントは 2 つ目のより複雑な反応から生じていると長い間考えられてきた。そして数十年にわたる実験の妙技の末、物理学者たちは初めてこの稀な反応から生じるニュートリノを検出した。

「これは決定的な証拠だ」とオハイオ州立大学の天文学者で、この研究には関わっていないマーク・ピンソノー氏は言う。「これは非常に深い理論的予測の実に見事な裏付けだ」

研究者たちは、これらわずかな量のニュートリノから、最終的には天文学の最も熱い疑問の一つである「太陽、ひいては宇宙の他のすべての星はどのような成分で構成されているのか」の答えを見つけ出せることを期待している。

研究者たちは、太陽の少なくとも98パーセントが水素とヘリウムでできていることを知っています。この2つは自然界で最も軽く、最も豊富な元素です。しかし、残りの2パーセントの構成については激しい論争が続いています。天文学者は通常、物体がどのような色の光を発しているか（あるいは発していないか）を分析することで、その物体が何でできているかを解明しますが、太陽のより重い成分、たとえば炭素、窒素、酸素などについては、その特徴がはっきりと現れません。

「問題はデータではありません」とピンソノー氏は言う。「周期表の偶然なのです。」

観測結果が不十分だったため、研究者たちは理論に頼ることになった。初期のモデルでは、太陽は炭素、窒素、酸素などのかさ高い原子が 1.8 パーセントを占めると予測されていた。しかし 2000 年代には、太陽の撹拌やその他の特徴を取り入れたより洗練された理論によって、重い原子は星のわずか 1.4 パーセントを占めると予測された。

0.5 パーセントの違いは大したことではないように思えるかもしれないが、宇宙的な影響がある。太陽は最もよく知られている星なので、天文学者はそれを測定単位のように使っている。似たような外見の別の星は、同じような組成をしているはずだと彼らは想定している。そして、宇宙のすべての星に掛け合わせると、0.5 パーセントはすぐに大きな差になる。たとえば、下限の推定値が正しければ、研究者が推定する全宇宙の酸素量は 40 パーセント減ることになる。

「太陽が変われば、どこにでも存在すると考える[重い物質]の量も変わる」とピンソノー氏は言う。

太陽内部で何が起こっているかを本当に理解する方法の 1 つは、太陽が毎秒地球に吹き込む無数のニュートリノを研究することです。太陽では、ニュートリノの大部分は陽子の直接的な融合から生じます。しかし、原子核物理学者は 1930 年代後半に、炭素、窒素、酸素という重元素が陽子を誘導する複雑な反応からニュートリノが少数発生するはずだと予測しました。

いわゆる「CNO ニュートリノ」の探索は 1988 年に始まった。すべての核反応はニュートリノを放出するため、数百万マイル離れた場所で起こるまれな核反応から生じる数少ないニュートリノを探すには、まず、きしみのない核環境を準備する必要がある。イタリアの Borexino 共同研究のメンバーは、検出器の材料から汚染物質である放射性物質を除去する技術の開発から始めた。この取り組みには 19 年かかった。

「ここはおそらく、放射能に関して地球上で最も純粋な環境です」と、ボレクシノのメンバーであるジョアッキーノ・ラヌッチ氏は言う。

それでも、検出は容易ではなかった。研究者たちは、宇宙線から離れた山の地下深く、イタリアのグラン・サッソ国立研究所にボレクシノを建設した。検出器の核となるのは 300 トンの化学物質の混合物で、極めて稀にニュートリノが液体と反応すると光る。検出器の核は、同じ混合物の別の 1,000 トンで覆われ、装置全体は 2,300 トンの水で囲まれ、グラン・サッソ山の岩から放出されるガンマ線や中性子から保護されている。

この実験は2007年に開始され、ほぼ即座に太陽の主な核融合反応から発生するニュートリノを検出した。その後数年間、研究者らは標準的な陽子-陽子核融合反応のあらゆる側面を調査した。しかし、CNOニュートリノは未だに未解明のままだった。

2015年、彼らは検出器を改良し、中心部の液体を完全に静止状態に保った。そしてついに彼らの努力が実を結んだ。6月、約100人の研究者による国際協力は、他の可能性のある発生源をすべて排除した後、ついにCNOニュートリノを検出したと発表した。毎日、中央の100トンの液体は平均して約20回フラッシュする。そのうち10回は検出器材料の放射性崩壊によるもので、この特定のエネルギー範囲では約3回は太陽の主な核融合反応によるものだ。ラヌッチ氏によると、残りの7回のフラッシュは、太陽のCNO支援核融合のまれな事例によって放出されたニュートリノの到達を示すものだという。研究チームは本日、その結果をネイチャー誌に発表した。

「これはとても美しい実験です」 ピンソノー氏は言う。

これら 1 日 7 回の閃光を総合すると、太陽、ひいては宇宙には炭素、窒素、酸素が減るどころか増えているかもしれないというわずかなヒントが浮かび上がる。しかし、何十年もの苦労と見事な測定を経ても、決定的な証拠は出ていない。「私たちは [重元素の豊富さ] を好みますが、それは偶然かもしれません」とラヌッチ氏は言う。

ボレクシノ実験は、検出器の寿命が尽きた後も、さらに数か月間、CNO ニュートリノの閃光を探し続ける予定だ。ラヌッチ氏は、さらに 1 年半のデータで、もう少し確固とした答えが得られるかもしれない CNO ニュートリノに関するもう 1 つの論文を発表することを楽しみにしている。

ボレクシノ共同研究チームがこの装置の最後の数日間でどれだけ成果を絞り出せるかに関わらず、太陽物理学者たちは太陽の中身を別の方法で調べられるかもしれない追加実験に取り組んでいるとピンソノー氏は言う。そして、それができなければ、さらに大きな液体タンクが準備される。まだデータを取っているところはないが、ボレクシノの開発を何十年も見てきた太陽物理学者たちは、忍耐強く待つことに慣れている。

「これは解決策のいずれかの道を閉じるものではないが、より決断力のある将来の世代への道を示している」とピンソノー氏は言う。