/?我國古人對太陽黑子的觀測

　　遠古時期，人們想要解釋太陽的運行，似乎只有飛鳥能夠承擔此任務(wù)，所以古代的《山海經(jīng)?大荒東經(jīng)》提到“湯谷上有扶木，一日方至，一日方出，皆載于烏”。是說在湯谷這地方有扶桑樹，每天太陽都會到這里來，它是由烏來載著在天空中運動，所以也就有“金烏負日”這種說法。在現(xiàn)存漢代的帛畫或墓畫都可以看到金烏負日的圖片。

　　馬王堆帛畫的二足金烏

　　后人推測，古人應(yīng)該不是只看到鳥在空中飛翔而有這種想象，而是在太陽上真的看到了有像烏鴉一樣的東西，所以在后來西漢的《淮南子?精神訓》當中會有“日中有踆烏”的記載，不過在這里踆烏的意思不大明確。到了東漢的王充就明確說出太陽上有種黑色的東西，但他不認為是烏鵲，而是位于太陽表面的“黑氣”，所以之后如果有古人再看到現(xiàn)在所認識的黑子時，通常就會有“黑氣”等說法?；蕶?quán)制度認為太陽等其它天體與皇權(quán)有密切聯(lián)系，它們的變化也就意味著天意。如果太陽上出現(xiàn)黑子，那就在一定程度上意味著天子、皇權(quán)有問題，所以皇權(quán)當中要有專責機構(gòu)來觀測天體現(xiàn)象，這就使我國歷朝歷代一直會對太陽黑子或其它天體持續(xù)觀測和記載。比如在《漢書?五行志》中就保存了現(xiàn)今公認最早的有明確日期的太陽黑子記錄：“河平元年三月乙未（公元前28年5月10日），日出黃，有黑氣，大如錢，居日中央”。這里的日期、時間、大小、位于日面位置等信息都較為清楚。

　　/?伽利略的觀測

　　在歐洲，由于受到亞里士多德的影響，在17世紀前，人們通常會認為天體是靜態(tài)的，只有地面萬物才會變化，所以對于肉眼可觀察到的黑子會視而不見。到望遠鏡發(fā)明后，人們才開始對黑子進行觀測和記載，最具代表性的當屬伽利略（Galileo Galilei， 1564-1642）。伽利略對太陽黑子所做最有意義的觀測，是在1612年夏天對黑子持續(xù)觀測數(shù)月。然而當時雖有望遠鏡的幫助，可做詳細的記載，但仍有人不相信那是圣潔無暇的太陽所有的現(xiàn)象，而認為那是行星。伽利略持續(xù)數(shù)月的觀測說明那些黑點不可能是行星，而是太陽表面或大氣的東西。這時他還發(fā)現(xiàn)太陽會旋轉(zhuǎn)，周期大約是27天。

　　/?陰錯陽差的發(fā)現(xiàn)

　　在伽利略后的一百多年，人們對黑子并不重視。等到19世紀有一個叫做施瓦布（Samuel H。 Schwabe， 1825-1867）的德國藥劑師想要藉由行星凌日的方式，尋找比水星軌道更靠近太陽的行星，于是從1825年開始做太陽黑子的手繪記錄。經(jīng)過43年總共繪制了四千多張?zhí)柡谧拥膱D片。

　　施瓦布沒有找到他所期待的行星，但長時間的觀測發(fā)現(xiàn)黑子數(shù)目會隨著時間增加、減少、再增加，他得出這數(shù)量存在一個10年周期的變化，這就是后人熟知的“太陽活動周期”，不過數(shù)值要修正為11年。

　　/?太陽黑子的變化會影響地球

　　另外一個同時期的英國業(yè)余科學家卡林頓（Richard Carrington， 1826-1875），他對黑子本身很感興趣，每天只要天氣允許就觀測太陽黑子。在1859年9月1日這天早上，他把太陽影像投影在板上描繪黑子時，突然發(fā)現(xiàn)黑子中間區(qū)域瞬間增亮，又慢慢恢復(fù)，這讓他非常興奮。他事后把這現(xiàn)象匯報給英國皇家學會，當時他雖然對此現(xiàn)象感到激動，但不太了解其中意義。18個小時后，9月2日，格林尼治地磁臺站探測到非常強烈的地磁擾動，事后還發(fā)現(xiàn)在地球中低緯度都可見到極光的記錄。

　　卡林頓觀測到太陽黑子的A區(qū)與B區(qū)瞬間增亮（Carrington，1859）

　　這里對照看一下當時在河北省石家莊附近所留下的記載：“秋八月，癸卯夜，赤氣起于西北亙于東北” （引自《欒城縣志》），這對應(yīng)的時間就是1859年9月2日晚，可見在當時中國緯度40度處也產(chǎn)生極光，相當罕見。這就引人好奇：這些現(xiàn)象之間會有什么關(guān)系？不過最初發(fā)現(xiàn)時并沒有人對此深入研究。

　　/?卡林頓的另外重要發(fā)現(xiàn)

　　卡林頓對太陽觀測還有另外兩個貢獻。他發(fā)現(xiàn)黑子出現(xiàn)在日面的位置并非隨機，而是有規(guī)律可循，在一個新周期中，這些黑子會隨時間從中緯度向低緯度遷移。如果把歷年黑子出現(xiàn)的緯度沿著時間軸繪出，就會得到下面的蝴蝶圖。

　　太陽黑子在日面位置變化的圖形，隨著時間繪出，即可得到蝴蝶圖

　　第三個重要的發(fā)現(xiàn)是卡林頓看到不同緯度的黑子轉(zhuǎn)一圈的時間不一樣，赤道自轉(zhuǎn)的比較快，極區(qū)轉(zhuǎn)的比較慢，現(xiàn)在精確測量顯示赤道大約25天轉(zhuǎn)一圈，極區(qū)則要35天才轉(zhuǎn)一圈。這種現(xiàn)象被稱為“較差自轉(zhuǎn)”。??????????????????????????????????????????????????????????

　　太陽的較差旋轉(zhuǎn)

　　/?將耀斑與地表現(xiàn)象關(guān)聯(lián)起來

　　當年卡林頓看到黑子耀斑以及耀斑對地球的影響，并沒有受到重視，沒人意識到這些現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)。在這之間建立起關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵人物是德國科學家洪堡（A。 von Humboldt， 1769-1859），他是近代地理學的創(chuàng)建人之一。他曾在西伯利亞旅行中測量不同地方的地磁強度，也呼吁歐洲各國一起來做地磁監(jiān)測。洪堡在哥廷根大學和他的朋友高斯一起組織一個跟地球磁場相關(guān)的協(xié)會，還在生前編纂了五卷本的巨著《宇宙》。

　　薩拜恩（Edward Sabine， 1788-1883）是英國皇家學會的負責人，當他看到洪堡的《宇宙》這本書，讀到書中描述施瓦布有關(guān)太陽11年周期的記載，他對照自己的地磁暴記錄，發(fā)現(xiàn)地磁暴總是和極光有很好的對應(yīng)，這些頻繁出現(xiàn)的時段剛好是施瓦布報導黑子數(shù)目多的時期。這就使他得到一個結(jié)論：太陽爆發(fā)活動會造成地磁的擾動。這就使得科學家開始對太陽黑子持續(xù)監(jiān)測，并且還有人去編纂前人對太陽黑子的監(jiān)測結(jié)果。

　　/?歷時最長的科學實驗

　　這工作主要由蘇黎世天文臺臺長沃爾夫（Rudolf Wolf， 1816-1893）來承擔，他在19世紀50年代開啟持續(xù)對太陽的觀測并整理過去的記錄，這就使人類有了持續(xù)最長的科學實驗：四百多年的太陽黑子記錄。

　　從這記錄中可以看到施瓦布所提到的大約11年的周期現(xiàn)象。研究還發(fā)現(xiàn)在1700年之前的數(shù)十年黑子數(shù)量都很少，那階段被稱為蒙德（Maunder）極小期，大約等到1755年數(shù)量的變化才恢復(fù)11年的周期，因此就把1755年開始稱為第一個太陽周，目前前一個周期剛結(jié)束，在2019年無黑子的天數(shù)達274天，現(xiàn)在新的周期正開始，被稱為“第25太陽周”，預(yù)期近幾年會看到越來越多的黑子，還會有大黑子出現(xiàn)。

　　基于數(shù)代科學家持續(xù)積累的、四百多年的數(shù)據(jù)，所繪制的太陽黑子數(shù)隨時間的變化圖

　　/?從磁場切入對黑子的物理研究

　　想要理解黑子的本質(zhì)，需要用物理學的知識來理解。1896年荷蘭物理學家塞曼（Pieter Zeeman， 1865-1943）發(fā)現(xiàn)，由原子能級間躍遷所產(chǎn)生的譜線，在足夠強的磁場中會分裂，分裂大小與外加磁場成正比，這就提供了通過譜線去測量磁場的有效方法。

　　美國天文學家海爾（George Ellery Hale， 1868-1938）最先把這項新的物理學發(fā)現(xiàn)用到黑子觀測上，從1908年開始，透過光譜儀觀測黑子，看到譜線分裂而得知黑子區(qū)域所對應(yīng)的磁場是上千高斯，這是人們第一次在地球之外發(fā)現(xiàn)磁場。相較之下，地球的磁場不到1高斯，可見黑子區(qū)域的磁場相當大。

　　借由塞曼效應(yīng)探測太陽黑子區(qū)域的磁場

　　后續(xù)的研究告訴我們，不只是太陽，許多天體都會有磁場，這被認為是20世紀天文的重要發(fā)現(xiàn)之一。磁場有個特性，即一定會南北極成對的出現(xiàn)，在太陽上也是。下圖是國家天文臺懷柔太陽觀測基地利用塞曼效應(yīng)所得的太陽磁圖，圖上黑白的區(qū)域?qū)?yīng)的就是正負極性的黑子，成對出現(xiàn)，自然會讓我們想到磁鐵的南北極。

　　太陽全日面磁圖/國家天文臺懷柔太陽觀測基地的觀測

　　另外可以注意的是，這些正負極排列基本上是大致平行赤道，但同時呈現(xiàn)一定的傾角，這就給我們一些提示來思考黑子與磁場的產(chǎn)生機制。根據(jù)黑子的觀測，我們可以判斷，黑子應(yīng)該是來自太陽內(nèi)部的磁通量往外浮現(xiàn)。

　　既然它來自內(nèi)部，而它的結(jié)構(gòu)基本上與赤道平行，這就暗示說有個像環(huán)一樣的磁流管，從內(nèi)部往上升到表面，兩個足點對應(yīng)著南北極。而根據(jù)我們對馬蹄形磁鐵的了解，它的磁場會從足部延伸到很遠的區(qū)域，因此推測太陽的磁場應(yīng)該也會延伸到表面外的區(qū)域。那就得針對太陽不同高度大氣去觀測，實際觀測發(fā)現(xiàn)的確有這跡象，類似馬蹄形磁鐵的外延磁場。用X射線拍攝可以看到日冕的磁環(huán)，我們可以把它類比為日冕的“骨架”。

　　觀測到的日冕磁環(huán)類似于馬蹄形磁鐵外由鐵屑構(gòu)成的磁力線

　　太陽活動區(qū)上方不同高度大氣的觀測

　　/?太陽極區(qū)的磁場

　　如果把太陽表面的磁場在經(jīng)圈方向做平均，再把不同時刻的數(shù)據(jù)連接在一起，就可以得到類似前述“蝴蝶圖”的結(jié)果。從該圖可以看出，極區(qū)也有磁場，也有大約11年的周期性變化，極區(qū)磁場是由黑子所在區(qū)域的磁場向極區(qū)漂移而產(chǎn)生的。

　　太陽表面經(jīng)圈方向平均的磁場在緯度方向的分布隨時間的演化

　　/?日球?qū)?/font>

　　太陽磁場能延伸多遠，這大致對應(yīng)日球?qū)拥母拍睢Ｆ溥吔缈衫斫鉃樘柎艌龊托请H磁場勢均力敵的地方，尺度大約120 AU。太陽的磁赤道上下會有相反極性的磁場，這會產(chǎn)生延伸到整個日球?qū)涌臻g的電流片。在太陽自轉(zhuǎn)帶動下，產(chǎn)生如同芭蕾舞裙一樣的結(jié)構(gòu)。太陽的磁場就像地球的磁場保護地球減少受到外來高能粒子的影響一樣，日球?qū)拥拇艌鲆矔帘翁栂低獾奶祗w高能粒子進入。

　　[AU是天文單位（Astronomical Unit）的簡寫，這是指太陽到地球的平均距離，通常用于表達太陽系或行星系統(tǒng)中的距離。120AU代表太陽到地球距離的120倍。]

　　日球?qū)拥闹饕Y(jié)構(gòu)

　　/?磁場的作用

　　太陽光球?qū)拥奈镔|(zhì)流動造成磁場的擠壓、扭曲、拉伸、變形，這些過程會把動能轉(zhuǎn)化成為磁能，當能量累積到一定程度，滿足一定條件時就會產(chǎn)生耀斑或日冕拋射，釋放巨大能量。因為磁場對高層大氣加熱，不同高度會對應(yīng)不同的信息，下圖橫坐標是從光球?qū)油獾牟煌叨?，縱坐標則是對應(yīng)溫度，從中可看到一開始原本往外是緩慢下降，但在距離日面約2千公里的高度，溫度從幾萬度迅速上升到百萬度，什么原因造成的日冕高溫，這是太陽物理一直在探索的重大科學問題之一。

　　太陽大氣的溫度隨高度的變化，急劇升溫的地方是色球與日冕之間非常薄的過渡區(qū)

　　太陽表面的逃逸速度大約是600 km/s，而在日冕高溫下，會有一定比例的做無規(guī)則熱運動的粒子的速度超過這一數(shù)值，而形成太陽風。美國太陽物理學家帕克（Eugene N。 Parker， 1927-）在1958通過流體靜力學模型，從理論是預(yù)見太陽應(yīng)該會有持續(xù)的物質(zhì)往外流，等到1959年人造衛(wèi)星升空觀測，很快得到證實。這顯示太陽是可以用理論去理解與預(yù)測，這也是空間科學的魅力所在。

　　/?黑子和太陽周的成因

　　太陽的物質(zhì)形態(tài)是等離子體，又因為它有磁場，因此稱之為“磁化的等離子體”，當?shù)入x子體磁雷諾數(shù)足夠大時，會產(chǎn)生“磁凍結(jié)”現(xiàn)象，簡單的說就是隨等離子體一起運動的任何封閉回路所圍曲面的磁通量是不變的。磁場足夠強時，磁場主導，這是能看到前述日冕磁環(huán)的原因；當流場足夠強時，流場主導，磁力線像橡皮筋一樣被流場拉伸、扭曲，進而動能轉(zhuǎn)換為磁能。

　　解釋太陽磁場產(chǎn)生機制的理論我們稱之為太陽發(fā)電機，與我們?nèi)粘Ｉ钪兴煜さ漠a(chǎn)生電流的發(fā)電機既有相同也有不同之處。太陽發(fā)電機具體是指通過一定的運動（旋轉(zhuǎn)、對流等），維持具有觀測到的周期性變化特征的太陽磁場的磁流體力學過程。

　　[等離子體：氣體形態(tài)下，部份原子及原子團的電子被剝奪后的物質(zhì)，宏觀下仍保持電中性。這被視為固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之外的物質(zhì)存在的第四態(tài)，太陽就是屬于等離子體。]

　　此外，觀測給我們的啟發(fā)是，黑子應(yīng)該來自太陽內(nèi)部。我們通過恒星結(jié)構(gòu)模型可以推測恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)，中心是氫聚變反應(yīng)的區(qū)域，持續(xù)提供恒星發(fā)光發(fā)熱的能量來源，稱為核反應(yīng)區(qū)。核反應(yīng)產(chǎn)生的能量會以輻射和對流等方式持續(xù)向外輸運，根據(jù)不同區(qū)域主導的能量傳輸方式的不同，人們把太陽內(nèi)部分為輻射區(qū)和對流區(qū)。磁流管的存在會抑制能量傳輸，使得局部區(qū)域的溫度偏低，相較于旁邊溫度較高的區(qū)域而言，這些地方就會顯現(xiàn)較暗。

　　黑子磁場的產(chǎn)生和由較差自轉(zhuǎn)的作用而產(chǎn)生的環(huán)向場有關(guān)。太陽有連接南北極的極向磁場，在較差自轉(zhuǎn)情況下，磁場會被扭曲拉伸，產(chǎn)生環(huán)向的磁場，這過程中因為磁凍結(jié)不斷拉伸，有磁流管的局部地區(qū)磁場也會增強，造成磁壓強在內(nèi)部的會比外部小，如果里外溫度一樣的話，所對應(yīng)內(nèi)部的密度會比較低，因此會往上，浮現(xiàn)到太陽表面，形成太陽黑子。

　　在較差自轉(zhuǎn)的作用下，從極向場產(chǎn)生環(huán)向場的過程

　　因為南北半球磁流管的方向相反，當它浮現(xiàn)時就可以看到前導-后隨相反的情況。太陽有黑子所對應(yīng)的環(huán)向磁場，也有連接南北半球的極向磁場，這兩部分的磁場在一定的速度場作用下周期性的互相產(chǎn)生，就可以看到一個大約11年周期的變化。

　　/?不同年齡的太陽活動

　　旋轉(zhuǎn)的太陽持續(xù)產(chǎn)生太陽風，還會有間歇性的物質(zhì)拋射，這些物質(zhì)的丟失，在磁場的影響下，就會使太陽的角動量持續(xù)的損耗，產(chǎn)生“磁制動現(xiàn)象”，使得太陽在一百億年的歲月中，旋轉(zhuǎn)速度不斷減小，這也連帶會使磁活動或黑子有所變化。

　　由于我們的觀測相較于太陽的漫長壽命太短暫，因此這方面得參考其他跟太陽類似的低質(zhì)量恒星的觀測綜合來看。研究發(fā)現(xiàn)磁活動的特征會隨著年齡增大而減小，同時其旋轉(zhuǎn)速度也會降低。越年輕的太陽/恒星，其旋轉(zhuǎn)會比較快，同時黑子面積所占的恒星表面面積可能越大，日冕等磁活動也會越劇烈。雖然我們不能直接看到恒星的黑子的詳細情況，但是通過恒星表面的黑子對亮度的影響，知道黑子或磁活動的情況。下圖顯示的就是葉永烜老師和他學生對不同光譜型的恒星的光度變化、耀斑能量的研究結(jié)果，對于不同恒星、黑子尺度與耀斑能量都不盡相同，但這些黑子活動是普遍存在的。

　　不同類型恒星（紅色質(zhì)量最低，再次依序為綠色、藍色）的耀斑能量，可見其差異（Lin， Ip et al。， 2019）

　　/?結(jié)語

　　渺小的人類對偌大的宇宙探索，常會問：我們在宇宙中是否孤獨？我們會希望找到跟地球一樣的地方，跟太陽一樣的恒星。雖然目前還沒找到，就算找到也不一定能過去。然而愛因斯坦曾說：這個世界最不可理解的事情是這個世界是可以被理解的。這話鼓舞著我們，希望通過物理、通過空間科學的相關(guān)知識，可以認識不同的天體、認識我們的宇宙。

　　這里借由介紹太陽黑子的相關(guān)研究，讓我們看到不同的學者在各自的時代中做出貢獻，一代代人不斷積累知識，再去創(chuàng)造新的知識，恰巧對應(yīng)著橫渠四句教的其中兩句：為往圣繼絕學，為萬世開太平。我們在繼承前人的自然科學知識的基礎(chǔ)上發(fā)展自己的知識，探索宇宙。


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