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独一无二的太阳?Comments>>

发表于 2014-07-02 10:42 | Tags 标签:, ,

Bruce Dorminey 文 Shea 编译

广为接受的观点认为,太阳是一颗普普通通的恒星。但天文学家们却一直没有找到它真正的孪生兄弟。

你很好,我很好。但太阳呢?它似乎正陷于中年危机。

就像年迈的父母依然会为成年的子女担忧一样,太阳物理学家也必须不断地调整自己的理论模型来解释我们已界中年的太阳有时会让人迷糊的行为。大多数研究太阳的天文学家会自信地告诉你,我们的太阳极为普通。然而,接下去他们又会说,我们的太阳是唯一而独特的。

[图片说明]:在日冕物质抛射过程中,太阳会向外喷射出10亿吨的气体。这一爆发发生在2002年1月8日,靠近第23太阳活动周的峰值。版权:SOHO/NASA/ESA。

这些天文学家不断在追寻的一些问题是:作为一颗光谱型为G2型的恒星,太阳究竟有多普通?太阳和生命之间是不是有必然的联系?或者,生命在太阳旁的地球上起源和演化是不是纯属巧合?如果太阳是普通的,那么在我们银河系里的数千亿颗恒星中太阳的孪生兄弟又在何方?

几十年来,天文学家们一直在寻找和中年的太阳在化学和天体物理特性上完全匹配的孪生兄弟。根据定义,“类太阳恒星”是一颗年龄任意的、光谱型为G型的恒星。而相比之下,“太阳孪生兄弟”则还要求这颗恒星的年龄要和太阳的相仿。另外,它的质量、化学成分和温度也必须要和太阳的几乎完全相同。

眼前的黑子

真正的类太阳恒星将能够提供一个比较的基准,帮助天文学家精细地调整他们目前的太阳模型。但在那之前,我们了解太阳的途径很大程度上仍依赖于围绕在太阳黑子四周的磁场。

在过去100年里,天文学家们共观测到了4~5万个太阳黑子。它们的数量会以大约11年为周期稳定地上升、下降。然而,最近的这个太阳黑子周期——第24太阳活动周——开始的时间却几乎晚了1年。在2009年6月和7月,终于有一些较弱的太阳黑子活动出现在了日面上。而在2008年,更是有超过260天的时间太阳上不见了黑子的踪影。

[图片说明]:2003年10月28日出现在太阳表面的黑子群,当时第23太阳活动周仍然相当活跃。版权:SOHO/NASA/ESA。

“在2008年和2009年的大部分时间里太阳犹如死寂了一般,”从1986年就开始进行太阳观测的美国圣费尔南多天文台台长加里·查普曼(Gary Chapman)说,“一个典型的太阳黑子有地球的2或3倍大。现在我们在1个月里只能看到1或2个比地球还小的小黑子。而在通常的太阳活动极大期中,随便哪一天你都能看到十几个黑子。”

太阳黑子的记录可以追溯到公元前4世纪。但在1610年,当黑子运动穿过太阳表面的时候,伽利略对它们进行了细致的观测。在这之后大约30年太阳进入了一个被称为“蒙德极小期”的阶段,在此期间太阳黑子几乎都消失了,从1645年到1715年这个太阳活动的极弱期持续了70年。

欧洲的严寒  艺术史的学生大多都非常熟悉文艺复兴后期一系列描绘不寻常严冬的荷兰绘画作品。从1500年到1850年,一个小冰期席卷世界的许多地方,但事实证明它对北欧的影响尤其强烈。凉爽的夏季和异常寒冷的冬天成了家常便饭。严冬使得在封冻的伦敦泰晤士河上举行的冰雪节一直持续举办到了1814年。

除了从1645年1715年长达70年的蒙德极小期之外,北欧还受到了另外两个太阳极小期的影响:大约从1415年到1510年的施珀雷尔极小期和大约从1795年到1820年的多尔顿极小期。

一些科学家认为火山灰可能引发了小冰期,随后蒙德极小期放大了它的效果。小冰期开始的时间其实早于蒙德极小期,并贯穿始终。

与一些报道相反,这一太阳的不活跃期其实被很好地记录下来了。仅巴黎天文台的天文学家在1660年至1719年就进行了约8,000次观测。1887年,德国天文学家古斯塔夫·施珀雷尔在整理了1672年到1699年间的太阳黑子记录之后发现,黑子数只有不到50个。

这不禁让人猜测大太阳极小会如何影响我们目前的气候。但是,如果蒙德极小再次出现,我们也许会经历降温现象。不过,科学家对于大极小期的具体影响仍然持有争议。不同的意见主要集中在地球大气层会如何放大太阳的这些变化。

这同时也说明了太阳物理学和气候学之间的脱节。太阳物理学家和气候学家需要一起来研究太阳活动对地球气候的影响。

在伽利略之后两个世纪,德国天文爱好者海因里希·施瓦贝(Heinrich Schwabe)在长期寻找水内行星的过程中做出了一个惊人的发现。施瓦贝发现他所观测到的太阳黑子似乎每隔十年就会出现一个高峰。出于不甚明了的历史原因,天文学家把在1760年达到高峰的太阳周期定为“第1太阳活动周”。

从那时起,天文学家共目睹了23个太阳活动周。“2007年3月,我曾预言第24太阳活动周会至少推迟1年,”也于1986年开始对太阳进行观测的、美国加州大学洛杉矶分校的太阳物理学家荣格·乌尔里希(Roger Ulrich)说,“这个太阳极小已经超过了1905年的。蒙德极小期的结束是最近一次我们看到这么长的一个太阳活动周。不过我觉得,太阳活动的上升正在到来。”

这个异常漫长的太阳极小也提出了一个问题:太阳物理学家是否真的了解太阳内部的运转?“如果你不担心磁场,我们担心,”乌尔里希说,“它们正是问题的结症所在。”

[图片说明]:2010年2月2日太阳表面上仅仅点缀着一个小黑子。目前的这个太阳活动周(第24个)启动的时间比往常的晚,而且至今仍未大幅增强。版权:SOHO/NASA/ESA。

太阳物理学家知道太阳磁场源自太阳的内部。等离子体的流动会产生电流,这就是太阳的发电机。进一步地,电流又会产生磁场。

在这个过程中,这些磁场会聚集并扭曲。这些被扭曲的磁场会阻断气体的对流和能量输运。于是,在磁场冲破太阳表面(也就是光球层)的地方,温度会比周围的低1,500℃。这些区域辐射出的能量较少,因此看上去较暗——也就是我们看到的太阳黑子。

“根据发电机理论,”乌尔里希说,“太阳会产生环形磁场,而环形磁场又会产生太阳黑子。环形磁场就像一个绑在太阳身上的大橡胶带。它的扭结就会形成太阳黑子对。”

但这并不是发生在太阳表面之下的全部。被称为扭转振荡的东-西急流会慢慢地从太阳中纬度地区向赤道和两极迁移。

一般来说,它们的迁移过程会需要17年的时间。但在2009年,美国国家太阳天文台(NSO)的太阳物理学家雷切尔·豪(Rachel Howe)和弗兰克·希尔(Frank Hill)发现,最近这一个太阳活动周中的迁移已经放缓。“和先前的太阳活动周相比,目前急流向赤道运动的速度较慢,”希尔说,“所需的额外时间和太阳极小期的延长相当。我们认为这两者是相关的。”

新的蒙德极小?

是否是急流造成了太阳极小的延长目前仍有争议。即便如此,NSO的副台长、恒星天文学家马克·贾姆帕帕(Mark Giampapa)认为我们也许正在进入一个长时间的蒙德型极小期或者所谓的大太阳极小期。他是最先提出这一观点的太阳物理学家之一。

“我的直觉是,我们正在进入下一蒙德极小期,”贾姆帕帕说,“自1980年代以来的太阳黑子观测数据显示,太阳黑子的平均磁场强度存在一个长期下降的趋势。”这些变化会通过某种方式影响地球吗?贾姆帕帕指出,毕竟全球平均气温从1998年的极大以来一直在下降。

希尔并不认为我们正在进入蒙德极小期,但他认为太阳对流区底部的随机发电机运动可能导致了这样一个长极小期。

[图片说明]:差不多和伽利略同时,克里斯托夫·沙伊纳(Christoph Scheiner)从1611年起开始观测太阳黑子。他们都描述了黑子穿过太阳表面的过程。版权:Linda Hall Library of Science, Engineering, and Technology。

即使我们正面临着一个延长的极小期,希尔也并不认为它会对地球产生重大的影响。“我猜测一个大极小期对全球温度的改变最多也只有1℃,”他说。但是一些科学家认为,地球自身的气候机制可以通过太阳物理学家和气象学家目前尚不完全了解的方式来放大任何的温度变化。

英国利兹大学的应用数学家史蒂夫·托比亚斯(Steve Tobias)认为,“较差自转”——