談太陽的三個科學(xué)難題

□ 問 天

談太陽的三個科學(xué)難題

□ 問 天

太陽是一顆恒星，恒星是構(gòu)成星系的基本單元，恒星的光芒照亮了星系和整個宇宙。太陽距離地球約1.5億千米，它的光線經(jīng)過500秒就可以到達地球，在浩瀚的宇宙中，這是非常近的距離。因此，在所有恒星中，天文學(xué)家對太陽觀測和研究得最深入。作為一個標(biāo)本，這顆年齡約50億年的普通恒星包含了恒星的共同特性，當(dāng)然它也有自己的獨特之處。面對太陽，科學(xué)家遇到了一個個難題，而對這些疑難問題的研究，使得天文學(xué)家更加認識了太陽，也有助于更好地認識其他恒星、銀河系乃至整個宇宙。

太陽中微子虧缺之謎

天文學(xué)家認為，恒星發(fā)出的光和熱來源于它的中心區(qū)域，那里進行著釋放能量的原子核聚變反應(yīng)，太陽也不例外。目前，在太陽中心的核反應(yīng)區(qū)域，不停地進行著氫原子核聚變?yōu)楹ぴ雍说臒岷司圩兎磻?yīng)?？茖W(xué)家指出，在太陽的核反應(yīng)過程中，除了產(chǎn)生能量外，還會產(chǎn)生大量中微子。

中微子是一種微觀粒子，它不帶電荷，靜止質(zhì)量幾乎為零，在宇宙中以接近光的速度傳播，而且它的穿透本領(lǐng)非常強。因此，中微子能夠從太陽核心區(qū)穿越太陽外層，經(jīng)過日地空間來到地球。如果我們想方設(shè)法檢測這些微小粒子，那么就可以得到太陽內(nèi)部的相關(guān)信息，進而檢驗科學(xué)家提出的太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)及核反應(yīng)理論是否正確。

圖1 太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 美國天文學(xué)家小雷蒙德?戴維斯

圖3 美國科學(xué)家小雷蒙德?戴維斯等人，在南達科他州霍姆斯特克設(shè)計并建造的中微子探測器。

圖4 在日本岐阜縣神岡町建立的“超級神岡”地下探測裝置

圖5 日本科學(xué)家小柴昌俊

1967年，美國科學(xué)家小雷蒙德?戴維斯等人，在南達科他州霍姆斯特克設(shè)計并建造了中微子探測器。他們利用一個深度達1600米的廢棄金礦，在其中安裝了一個裝置，內(nèi)裝3.8×105升四氯化碳液體，用來探測來到這里的中微子。之所以將探測裝置放置在如此深的地下，是為了屏蔽宇宙線中其他粒子的干擾，中微子具有很強的穿透能力，而其他粒子則沒有。四氯化碳中的氯原子可以跟中微子作用，生成容易探測的放射性氬原子。1978年，他們的實驗結(jié)果顯示，探測到的太陽中微子的流量僅為理論預(yù)期值的三分之一。這一結(jié)果在世界范圍內(nèi)引起了轟動，這就是持續(xù)三十多年的“太陽中微子失蹤之謎”，或者說“太陽中微子虧缺之謎”。由于天文學(xué)家不愿放棄在多方面非常成功的太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型以及核反應(yīng)理論，因此，這個問題成了科學(xué)上的懸案。

1987年，日本科學(xué)家小柴昌俊等人在日本岐阜縣神岡町建立了“超級神岡”地下探測裝置，該裝置于1996年擴建。他們在位于地面以下1000米深的廢棄鋅礦礦井中，放置了一個裝滿5×107千克純凈水的容器。當(dāng)中微子穿過水時，會以極小的概率擊中水分子，此時可以產(chǎn)生閃光，科學(xué)家們安裝了10000多只光電倍增管測量這種閃光。

1998年，日本科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)了中微子的“振蕩”。實際上，中微子有三種類型，包括電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。所謂的中微子振蕩是指中微子在傳播過程中不同類型之間可以相互轉(zhuǎn)換。因此，天文學(xué)家認為，太陽內(nèi)部核反應(yīng)產(chǎn)生的是電子中微子，在從太陽來到地球的過程中，有2/3的電子中微子轉(zhuǎn)化成了其他兩類中微子，但是，當(dāng)時地球上的探測器不能探測到其他兩種中微子。從而出現(xiàn)了“太陽中微子失蹤”之謎。

2001年，美國和加拿大科學(xué)家合作在加拿大薩德伯里建立了一個裝備新型探測器的中微子觀測站，容器內(nèi)裝備106千克重水，可以有效地探測另外兩類中微子，并與電子中微子區(qū)別開來。經(jīng)過兩年的探測，得出了可信的結(jié)論，他們確定太陽內(nèi)部核反應(yīng)理論預(yù)期的中微子數(shù)目是正確的。這一結(jié)果解決了“太陽中微子虧缺”之謎。在“太陽中微子虧缺”這一難題的研究過程中，美國科學(xué)家小雷蒙德?戴維斯和日本科學(xué)家小柴昌俊做出了突出的貢獻，因此，他們共同獲得了2002年諾貝爾物理學(xué)獎。

太陽日冕溫度奇高的謎團

我們平時看見的太陽，是太陽光球?qū)?。即使利用天文望遠鏡，我們也看不到太陽光球?qū)右詢?nèi)的太陽部分，這些不可觀測的區(qū)域被稱為太陽內(nèi)部，它由里向外依次是核反應(yīng)區(qū)、輻射區(qū)和對流區(qū)。在太陽光球?qū)拥耐饷妫来问巧驅(qū)雍腿彰釋?，這兩個層次與太陽光球一起構(gòu)成太陽的外層大氣。平時，色球?qū)雍腿彰釋硬荒鼙蝗搜壑苯涌匆?，因為，與太陽光球?qū)颖容^，它們的光輻射非常微弱，日冕層的可見光輻射只有光球?qū)拥募s百萬分之一。如果發(fā)生日全食，明亮的光球被遮擋，此時，人們可以觀測到泛著紅光的色球和范圍更大的白霧般的日冕。現(xiàn)在，天文學(xué)家研制了日冕儀，通過這種望遠鏡，他們可以隨時觀測日冕的變化。

日冕層位于太陽的最外面，底部在太陽光球之上2000多千米，它可以延伸到距離太陽表面數(shù)百萬千米的地方，沒有嚴格的外部邊緣。20世紀40年代，瑞典天文學(xué)家本特?埃德朗（Bengt Edlen）通過光譜觀測，發(fā)現(xiàn)日冕層的溫度高達約100萬度，遠遠高過光球?qū)拥臏囟?500℃，前者是后者的約200倍。這一離奇的觀測結(jié)果出乎天文學(xué)家的預(yù)料，而且有悖于熱力學(xué)定律。一段時間內(nèi)，人們對這一結(jié)果半信半疑、無法接受。

按照當(dāng)時人們對太陽的認識，太陽的中心是發(fā)生熱核聚變反應(yīng)的地方，太陽的所有光和熱都來自這里。太陽中心釋放的熱量通過太陽輻射層和對流層傳播到光球，然后再向外傳播到色球?qū)雍腿彰釋?。這樣一來日冕層的溫度一定比光球?qū)拥臏囟鹊停皇窍喾?。那么為什么出現(xiàn)日冕溫度反常高的奇怪現(xiàn)象呢？太陽物理學(xué)家猜測，一定是某種未知物理過程給日冕帶來了格外的熱量，使得這里的溫度升高，而且這里的物質(zhì)粒子都處于電離狀態(tài)，也就是日冕物質(zhì)由帶正電荷的正離子和帶負電荷的電子構(gòu)成，日冕中幾乎沒有中性粒子。

圖6 日全食時，拍攝的太陽色球和日冕

圖7 太陽大氣中的太陽活動區(qū)，太陽活動區(qū)的能量釋放，是日冕加熱的原因之一

圖8 美國國家航空航天局的“界面層成像攝譜儀”衛(wèi)星（IRIS，interface region imaging spectrograph）的藝術(shù)概念圖

圖9 在日面邊緣的耀斑和磁力線

通常情況下，對流、傳導(dǎo)和輻射是傳播能量的三種方式。與光球相比，日冕物質(zhì)的密度非常小，通常的三種熱量傳播途徑不足以加熱日冕到如此的高溫。根據(jù)太陽大氣的物理狀況，以及太陽大氣中的太陽活動現(xiàn)象，天文學(xué)家提出了一些導(dǎo)致日冕加熱的可能原因，歸納起來，大致分為磁流體波加熱、太陽耀斑加熱和針狀體噴流加熱，共三種形式。

觀測到日冕具有很高的溫度后不久，就有天文學(xué)家提出，磁流體波可能是加熱日冕的途徑之一。在相當(dāng)長的時間內(nèi)，受到觀測設(shè)備的限制，天文學(xué)家不能觀測到太陽大氣中的波動現(xiàn)象。直到20世紀90年代，隨著空間太陽望遠鏡投入使用，人們才觀測到了太陽大氣中的磁流體波。但是，對于磁流體波加熱日冕的具體機制，天文學(xué)家并不清楚。最近，來自日本、美國和歐洲的多名天文學(xué)家聯(lián)合研究，使用來源于日本宇宙空間開發(fā)機構(gòu)的“日出”衛(wèi)星（Solar—B）和美國國家航空航天局的“界面層成像攝譜儀”衛(wèi)星（IRIS，i nterface region im aging spectrograph）的觀測數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)了磁流體波共振吸收的直接證據(jù)，并發(fā)現(xiàn)這一過程使得日冕中的日珥溫度升高。這一研究證實了磁流體波可以加熱日冕。

太陽耀斑也是加熱日冕的途徑之一，因為，在太陽耀斑爆發(fā)過程中，太陽磁場能量可以通過磁重聯(lián)轉(zhuǎn)化為熱能，來加熱日冕。除了巨大的耀斑之外，太陽大氣中還有許多微耀斑，它們也是導(dǎo)致日冕高溫的因素。另外，近些年的觀測發(fā)現(xiàn)，在太陽表面之上，有一些被稱為新型針狀體的結(jié)構(gòu)（Spicular-Ⅱ)，它們可以向日冕中輸送一些高溫的帶電粒子，也是導(dǎo)致日冕溫度升高的原因之一。

神秘的太陽活動周期

自古以來，太陽每天從東方升起，穿過高高的天空，在西方落下，它給地球帶來光明和溫暖。在人們的心目中，這顆恒星和藹可親、寧靜安詳?？墒?，自從1609年伽利略制造出首架天文望遠鏡以來，天文學(xué)家在太陽上逐漸發(fā)現(xiàn)了許多不斷變化甚至爆發(fā)性的結(jié)構(gòu)。尤其是空間太陽望遠鏡的多波段觀測顯示，太陽并不是一顆平靜的恒星，在它的外層大氣中有各種各樣的活動現(xiàn)象。

太陽光球?qū)硬粫r會出現(xiàn)一些黑色的斑點，它們或大或小、或多或少。有時單個獨立存在，有時許多個聚成一群，它們是太陽黑子。太陽色球望遠鏡是專門用來觀測色球?qū)拥?，通過它可以發(fā)現(xiàn)色球?qū)拥木植繀^(qū)域有時會突然增亮，然后慢慢恢復(fù)正常，這就是太陽耀斑。實際上，太陽耀斑爆發(fā)時，除了可見光波段以外，其他波段輻射也會迅速增強，還會發(fā)射高能帶電粒子。太陽耀斑是太陽大氣中的磁場能量釋放過程。在色球望遠鏡中，還可以看到太陽邊緣有不斷變化的活動日珥，有時日珥也會突然爆發(fā)。20世紀70年代，天文學(xué)家利用空間望遠鏡發(fā)現(xiàn)了日冕物質(zhì)拋射現(xiàn)象，它會將大量日冕物質(zhì)劇烈地拋離太陽，進入周圍的行星際空間。由此可知，太陽是一顆有多種活動現(xiàn)象的恒星。

1 9世紀前期，許多天文學(xué)家認為，在水星內(nèi)側(cè)還有大行星存在，并將它命名為祝融星，并用望遠鏡尋找這顆行星。德國天文學(xué)家兼藥劑師施瓦貝（Sam uel Heinrich Schwabe）也加入到搜尋祝融星的行列中來。施瓦貝認為，這顆行星距離太陽很近，直接觀測并不容易發(fā)現(xiàn)它，而當(dāng)它圍繞太陽轉(zhuǎn)動，走到太陽前面時，會成為在太陽表面移動的小黑點。因此，他從1926年開始堅持觀測太陽，每天記錄太陽表面的黑子，直到1843年他也未能發(fā)現(xiàn)祝融星的蹤跡。但是，施瓦貝整理觀測到的太陽黑子資料，發(fā)現(xiàn)太陽黑子數(shù)目存在周期為大約10年的變化。

圖10 太陽表面的太陽黑子

圖11 連續(xù)多年的太陽觀測，可以看出太陽活動的周期性變化

圖12 太陽黑子周期變化的示意圖

圖13 太陽耀斑在色球?qū)拥谋憩F(xiàn)

繼施瓦貝之后，瑞士天文學(xué)家沃爾夫（Rudolf W olf）搜集了更多的太陽黑子觀測資料，包括17世紀初期天文望遠鏡出現(xiàn)后零散的黑子觀測記錄，通過整理分析這些資料，他發(fā)現(xiàn)太陽黑子數(shù)確實存在11年左右的周期性變化，并將1755~1766年規(guī)定為第一個太陽活動周，現(xiàn)在太陽處于第24活動周。實際上太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射等活動現(xiàn)象的數(shù)目也存在變化，如同黑子數(shù)一樣，具有約11年的周期。

圖14 發(fā)現(xiàn)太陽活動周期的德國天文學(xué)家史瓦貝

太陽耀斑是太陽磁場能量的釋放過程，日冕物質(zhì)拋射也是由于日冕磁場的變化引起的，而太陽黑子區(qū)域就是強磁場區(qū)，因此，太陽活動周期實際上是太陽磁場變化的周期。觀測太陽黑子特性的變化，可以發(fā)現(xiàn)太陽活動周期的許多特征。通常情況下，太陽黑子都是成對出現(xiàn)，兩個黑子一前一后大致沿同一緯度東西方向排列。假如在太陽北半球，雙極黑子（兩個幾乎同時出現(xiàn)的一對黑子）中東邊黑子的磁場極性為N極，那么西邊黑子的磁場極性則是S極，北半球所有雙極黑子的磁場極性分布幾乎都是如此。而在南半球，雙極黑子的磁場極性分布與北半球則恰恰相反。而當(dāng)下一個太陽活動周期到來后，雙極黑子的磁場極性分布與上個活動周剛好相反。天文學(xué)家通過觀測還發(fā)現(xiàn)，在同一個太陽活動周中，初期太陽黑子出現(xiàn)在中緯度，隨著活動周的發(fā)展，黑子出現(xiàn)的緯度位置越來越靠近赤道。這些表現(xiàn)說明太陽活動周期具有深刻的物理內(nèi)涵，一定是太陽內(nèi)部的特定物理性質(zhì)決定了太陽活動周的變化。

那么，究竟是怎樣的太陽內(nèi)部物理性質(zhì)決定了太陽活動周的變化呢？也就是說，太陽活動周的根源是什么？長期以來，這個問題一直困擾著天文學(xué)家。20世紀60年代，美國天文學(xué)家巴布科克（Babcock）提出了一個解釋太陽活動周的經(jīng)驗性模型，該模型包括兩大要素，其一是太陽磁場的偶極模型，其二是太陽物質(zhì)的較差自轉(zhuǎn)，所謂較差自轉(zhuǎn)就是不同緯度太陽物質(zhì)的自轉(zhuǎn)速度不同。這兩個因素互相作用導(dǎo)致了太陽活動周的產(chǎn)生。該模型可以大致定性地解釋太陽活動周的產(chǎn)生，但是非常不嚴謹。之后天文學(xué)家雷頓（Leighton）在巴布科克模型的基礎(chǔ)上，對部分環(huán)節(jié)做定量分析，使得這一理論得到發(fā)展。天文學(xué)家認為，太陽活動周的物理機制是太陽等離子體自身運動感應(yīng)的磁場所表現(xiàn)的周期性現(xiàn)象，這是自激發(fā)電機的原理。因此，這些理論被稱為太陽活動周的“發(fā)電機理論”?，F(xiàn)在更多的科學(xué)家是從磁流體動力學(xué)理論出發(fā)去尋找太陽周期的機制，201 5年，有天文學(xué)家提出了雙發(fā)電機原理，也就是結(jié)合發(fā)電機在對流層和太陽表面的兩種效應(yīng)，來解釋太陽活動周的秘密，取得了較好的效果。

結(jié)語

太陽作為距離地球最近的恒星，天文學(xué)家對它是格外關(guān)注，在天文學(xué)中，太陽物理學(xué)也成為一個相對獨立的學(xué)科分支。目前，“太陽中微子虧缺問題”已經(jīng)得到圓滿解決，這個問題不僅確定了太陽模型和太陽內(nèi)部核反應(yīng)理論的正確性，也對粒子物理研究有巨大促進作用?，F(xiàn)在，人們對“日冕高溫之謎”的研究也較為深入，利用更多空間天文望遠鏡的觀測資料，相信不久科學(xué)家就會徹底解決這一難題。對“太陽活動周期起源之謎”這個難題，天文學(xué)家還有比較多的困惑，這需要觀測和理論的共同深入，才能完全揭開它的神秘面紗。

（責(zé)任編輯 張長喜）