当天文学家凝视太空深处时，他们感到不安：他们不确切地知道宇宙是由什么构成的。
不仅暗物质的真正本质让他们难以捉摸；天空中点缀的星星以及宇宙中众多星系的本质也让他们困惑。令人惊讶的是，没有人知道恒星的确切化学成分：相对于最常见的元素氢，它们有多少碳、氮和氧原子。
这些数字至关重要，因为它们影响恒星的生老病死、行星的形成类型，甚至可能影响生命在其他世界出现的难易程度。
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二十年前，天文学家对他们一直使用的数字表示有信心。现在，情况并非如此。问题不在于遥远的宇宙角落，而在于离我们家更近的地方。令人震惊的是，科学家们并不确切地知道太阳是由什么构成的。因此，他们也不知道其他恒星是由什么构成的。
尽管太阳的确切氧丰度存在争议，但没有人否认，比太阳质量大得多的恒星——类似于现在在猎户座星云（如图所示）中诞生的最亮的恒星——锻造了今天地球和整个宇宙中发现的大部分氧气。图片来源：NASA、ESA、M. Robberto（太空望远镜科学研究所/ESA）和哈勃太空望远镜猎户座宝藏项目团队
“太阳是一个基本的衡量标准，”德国加兴马克斯·普朗克天体物理研究所的天体物理学家马丁·阿斯普伦德说。“当我们确定宇宙中任何地方的恒星、星系或气体云中某种元素的丰度时，我们都以太阳为参考点。”
这是有道理的。太阳占太阳系质量的 99.86%。任何咨询相同比例选民的民意调查员都可以毫无问题地预测下次选举的结果。
太阳在银河系中的位置也使其成为整个星系的良好代表。正如政治观点从城市核心到乡村各不相同一样，恒星丰度也从银河系中心到边缘发生变化，而太阳恰好处于完美的位置——大约在银河系中心到其恒星盘边缘的中间位置——可以代表整个星系。
更重要的是，宇宙中大多数恒星都存在于像银河系这样的大型星系中，这使得太阳成为整个宇宙的试金石。
此外，太阳非常明亮，天文学家可以极其精确地研究其光线的细节。这应该使他们能够确定太阳化学元素的精确丰度。
近一个世纪以来，天文学家一直通过观察恒星的化学成分是否与太阳的化学成分相匹配来判断恒星是否正常。我们附近的绝大多数恒星都是如此；有些则不然。
这就是为什么阿斯普伦德及其同事在 2009 年《天文学和天体物理学年评》上发表的关于太阳化学成分的文章获得了来自同行科学家 4000 多次学术引用：天文学家不断地将恒星和星系与太阳进行比较。它是通用的标准。
但阿斯普伦德的工作是有争议的。他和他的同事使用了新的模型来分析阳光，发现太阳中最常见的重元素（包括碳和氧）的含量与之前的计算相比大幅降低。（天文学家将大多数比氦重的元素称为“重元素”。）因此，阿斯普伦德的工作意味着，其他恒星乃至整个宇宙的重元素含量都比之前认为的要少得多。
太阳包含多少种最常见的四种重元素——氧、碳、氖和氮？此图表显示了数十种元素的相对丰度（蓝色点，标记了最常见的元素），以对数刻度表示，其中氢原子的数量设置为 12。（丰度为 11 的元素是氢的十分之一；如果为 10，则为氢的百分之一；依此类推。）1989 年，标准氧丰度为 8.93，这意味着每氧原子有 1175 个氢原子。然而，在 2009 年，马丁·阿斯普伦德倾向于仅为 8.69 的氧丰度，这意味着每氧原子有 2042 个氢原子。碳、氮和氖的估计丰度也大幅下降。
以氧为例。“这是宇宙中最丰富的重元素，”俄亥俄州立大学的天文学家马克·平松内奥特说。他一直是阿斯普伦德数字的批评者，因为它们导致与对太阳内部的观测结果相冲突。
“太阳是我们实际测量氧含量的方法之一。因此，如果阿斯普伦德是正确的……这意味着宇宙中的氧气含量减少了 40%，因为我们所有的测量结果都要乘以我们对太阳的假设，”平松内奥特说。
这场争议已经持续了 20 年；双方都没有向对方让步。“我们还没有找到答案，”圣路易斯华盛顿大学的宇宙化学家凯瑟琳娜·洛德斯说，她从陨石中推断出丰度，并称这场长期存在的争端令人沮丧。“我认为‘我们遗漏了什么？’是科学家面临的最大挑战之一。怎么会这样，竟然有我们无法解释的东西？一定有一个答案。”
阿斯普伦德提倡的较低水平的氧气和其他重元素不仅造成了不确定性，也造成了麻烦。“我早就怀疑这会引发冲突，”他说。
然而，阿斯普伦德和平松内奥特都表示，这场辩论是友好的。“我们在科学解释上存在非常严重的分歧，”阿斯普伦德说，“但我们非常乐意之后一起出去喝啤酒。”
幸运的是，各种当前和未来的实验最终可能会解决这个问题。
氧气：一种关键元素
尽管存在争议，但每个人都对基本知识达成一致：太阳主要由氢和氦两种最轻的元素组成。它通过将氢转化为氦的核反应在其中心产生能量。但由于阿斯普伦德的工作，接下来最丰富的元素的含量都存在争议。
这非常重要。氧气几乎占宇宙中所有重原子的一半。这些原子中的大多数可以追溯到比太阳质量大得多的恒星的诞生。在它们明亮但短暂的生命后期，这些恒星将四个氦核融合在一起以制造氧气。恒星最终会爆炸，喷射出赋予生命的元素。仅仅一次超新星就可以喷射出超过一个太阳质量的氧气。如果太阳以及整个宇宙中的氧气含量像阿斯普伦德认为的那么低，那么这些产生大量氧气的恒星的生产力就比人们认为的要低得多。
宇宙中几乎一半的重原子是氧（按原子数量而不是重量衡量）。仅四种元素——氧、碳、氖和氮——就占所有重原子的 88%，但它们相对于氢的确切数量一直存在争议。
氧气的重要性在显而易见和不显而易见的方式中都至关重要。显而易见的是：我们需要氧气来呼吸。不那么明显的是：我们脚下岩石中一半以上的原子是氧原子。而且，这种元素在我们太阳系中所有行星的形成中都发挥了重要作用。
氧气的关键重要性还不止于此。毕竟，每个水分子中都含有一个氧原子。“水对生命至关重要，”洛德斯说。“水对生命的形成至关重要。”所以没有氧气，就没有水，也就没有生命。
继续前进吧，任性的太阳
尽管关于太阳中氧气和其他重元素丰度的争论影响深远，但这场酝酿中的争议却始于偶然。在 20 世纪 90 年代后期，阿斯普伦德想研究古代恒星，这些恒星只有少量的重元素。不过，他首先认为最好更好地确定太阳的成分。
为了做到这一点，他和他的同事开发了新的模型来解释太阳光谱，即我们恒星发出的彩虹色。不同元素的原子吸收不同波长的光，产生所谓的光谱线。太阳表面存在的特定元素原子越多，原子吸收的光就越多，光谱线就越强。因此，光谱线可以揭示元素相对于氢的丰度，氢是太阳的主要成分。
由于太阳设定了标准，科学家可以比喻地在一束阳光中看到整个宇宙：通过分析太阳光谱，他们可以确定整个宇宙中氢、碳、氮和氧的比例。
阿斯普伦德的新模型比以前的模型复杂得多，避免了简化和近似。“我并没有真正期望这会改变太阳的丰度，”他说。“这有点像幸运的一击。”
可以分析太阳光谱（如图所示）以揭示太阳构成成分的线索。太阳表面的原子吸收特定的颜色，在观察到的光谱中留下暗光谱线。每条线的强度都说明元素的丰度。深紫色中的 H 线和 K 线来自钙；黄橙色 D 线对来自钠；红色 C 线来自氢。氧的光谱线很难分析。
在他的模型中，宇宙中最丰富的四种重元素都受到了重大打击。与 20 年前发布的数字相比，阿斯普伦德及其同事在 2009 年的文章中建议大幅降低数值。新模型将太阳以及宇宙中估计的氧含量大幅削减了 42%。碳（另一种生命的先决条件）下降了 26%，而氖和氮的含量分别下降了 31% 和 40%。
通过所有计算，这四种元素占宇宙中绝大多数（阿斯普伦德的工作中为 88%，其他数字中略多）重原子。如果阿斯普伦德是对的，那么宇宙中这些元素的含量远低于任何人的想象。这意味着太阳内部模型会遇到巨大的麻烦。
太阳内部
像氧气这样的重元素会改变太阳内部，因为它们会吸收辐射，辐射会从太阳核心向外到达表面。使用旧的太阳丰度，天文学家认为他们已经弄清楚了太阳的内部，这要归功于一种称为日震学的技术。正如我们的世界有地震一样，太阳的内部也随着声波振动。正如地震学家使用地震来推断地球内部的结构一样，在太阳中传播的振动也揭示了其内部结构。
例如，在太阳内部的大部分区域，辐射从原子到原子之间反弹，缓慢地将热量从核心向外传递。然而，在太阳的最外层部分，物质更冷且更不透明，这主要是因为氧气等重元素会吸收光子。这种不透明性意味着光子无法在那里传递热量。相反，一种称为对流的过程开始了：热气体上升到太阳表面，辐射热量，然后冷却并沉回。当您煮一壶水时，您会看到类似的情况。
日震学精确地指出了太阳辐射内部和对流包层之间的边界位置。“这在声波中表现为一个故障，”平松内奥特说。因此，我们知道这个边界恰好发生在太阳半径的 71.3% 处。但如果太阳实际上含有较少的氧气、碳、氖和氮，那么太阳内部的不透明度就会降低，从而使辐射能够将热量从太阳中心传递得更远，这与日震学观测结果相矛盾。“要么我们不了解太阳，要么[新的太阳丰度]是错误的，”平松内奥特在 2011 年的演讲中说，他在演讲中赞成更高的氧丰度。
太阳核心中的核反应产生能量，然后能量通过辐射和对流向外传输。日震学观测揭示了辐射区和对流区之间边界的位置。旧的元素太阳丰度将这个边界置于完全观测到的位置；修订后的元素丰度则不然。
尽管如此，平松内奥特承认阿斯普伦德的新模型优于以前的模型，并且他们对太阳丰度的重新确定应该是有效的。首先，阿斯普伦德的模型考虑了对流，而早期工作忽略了对流。他的团队还认识到，一条据称来自氧气的红色光谱线实际上是氧气和镍的混合物；减去镍的贡献导致氧丰度降低。
大部分问题源于氧原子本身。“它只是一个问题儿童，”平松内奥特说。“它一直是个问题儿童。”
尽管氧气很常见，但它在阳光下产生的光谱线很少，而且所有光谱线都难以分析，因此该元素几乎没有留下关于其丰度的线索。“相比之下，每个人都同意太阳的铁丰度，”平松内奥特说。这是因为铁产生了大量光谱线，可以进行分析。
像洛德斯一样，平松内奥特称这场看似永恒的争端令人沮丧。“令人惊讶的是，很难获得新信息来解决这个问题，”他说。“我们只需要新数据才能破解这个问题。”
太阳下的新事物
幸运的是，新的数据即将到来。在实验室中，物理学家可以通过将不同的元素置于太阳内部普遍存在的炽热温度下，来测量这些元素的不透明度。近年来，科学家们已将这些实验诱导到更高的温度——足够热以探测太阳表面深处、对流辐射边界处的条件——并在足够大且寿命足够长的等离子体中产生精确的数字。
2015 年，桑迪亚国家实验室的实验物理学家吉姆·贝利和他的同事报告说，太阳中铁的不透明度确实高于预期。“我们的结果让天文学界非常高兴，”他说，“因为这意味着至少存在一种希望，他们可以协调他们认为的最佳丰度估计值与标准太阳模型和日震学。”
贝利现在已将注意力转向氧气，并预计在三年内获得他的第一个结果。如果证明氧气比目前计算的更不透明，那么太阳就不需要那么多氧元素来维持观测到的辐射对流边界的位置。这可以消除新太阳丰度与日震学之间的差异。
与此同时，阿斯普伦德和平松内奥特都指出了另一个有希望的解决方案。当太阳核心产生能量时，它会发出中微子，这是一种幽灵般的粒子，它们会快速飞走并在大约八分钟后到达地球。正在进行的对这些中微子的研究应该为估计元素丰度提供一种新的方法。这是因为某些中微子是在一个过程中产生的，该过程使用碳、氮和氧作为催化剂，将氢转化为氦。
这个 CNO 循环仅产生太阳能量的约 1%，但太阳中真正的碳、氮和氧越多，应该存在更多的 CNO 中微子。六年前，物理学家使用意大利的 Borexino 实验探测到了来自太阳主要核反应的中微子。本周，Borexino 研究人员宣布，同一实验已经发现了CNO 中微子，这意味着他们帮助揭示太阳丰度只是时间问题。
CNO 循环仅产生太阳能量的 1%，但有一天可能会揭示太阳包含多少碳、氮和氧。在这个复杂的循环中，碳、氮和氧核催化氢到氦的核反应，但不会在此过程中被消耗掉。CNO 循环将四个质子转化为一个氦核，产生能量并释放出两个中微子（品红色）。物理学家最近宣布，他们首次能够探测到这种类型的中微子。
最终结论？
洛德斯指出了另一个希望的理由。曾经，天文学家争论宇宙铁丰度：太阳光谱给出的水平与陨石的水平不同。“这在很长一段时间里都是一个谜，”她说。当宇航员使用新测量的铁原子参数并修改了他们对太阳铁丰度的计算时，这场辩论结束了，证明了陨石结果的正确性。
阿斯普伦德预计正在进行的不透明度和中微子实验将解决这场争议。“我不会为此赌上我的房子，”他说，“但如果我们实际上在 10 年内都不知道答案，我会非常失望。”
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