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獨一無二的太陽?

獨一無二的太陽?(9p)

廣為接受的觀點認為,太陽是一顆普普通通的恒星。但天文學家們卻一直沒有找到它真正的孿生兄弟。
你很好,我很好。但太陽呢?它似乎正陷于中年危機。
就像年邁的父母依然會為成年的子女擔憂一樣,太陽物理學家也必須不斷地調整自己的理論模型來解釋我們已界中年的太陽有時會讓人迷糊的行為。大多數研究太陽的天文學家會自信地告訴你,我們的太陽極為普通。然而,接下去他們又會說,我們的太陽是唯一而獨特的。


[圖片說明]:在日冕物質拋射過程中,太陽會向外噴射出10億噸的氣体。這一爆發發生在2002年1月8日,靠近第23太陽活動周的峰值。版權:SOHO/NASA/ESA。
這些天文學家不斷在追尋的一些問題是:作為一顆光譜型為G2型的恒星,太陽究竟有多普通?太陽和生命之間是不是有必然的聯系?或者,生命在太陽旁的地球上起源和演化是不是純屬巧合?如果太陽是普通的,那麼在我們銀河系里的數千億顆恒星中太陽的孿生兄弟又在何方?
几十年來,天文學家們一直在尋找和中年的太陽在化學和天体物理特性上完全匹配的孿生兄弟。根據定義,“類太陽恒星”是一顆年齡任意的、光譜型為G型的恒星。而相比之下,“太陽孿生兄弟”則還要求這顆恒星的年齡要和太陽的相仿。另外,它的質量、化學成分和溫度也必須要和太陽的几乎完全相同。
眼前的黑子
真正的類太陽恒星將能夠提供一個比較的基准,幫助天文學家精細地調整他們目前的太陽模型。但在那之前,我們了解太陽的途徑很大程度上仍依賴于圍繞在太陽黑子四周的磁場。
在過去100年里,天文學家們共觀測到了4~5万個太陽黑子。它們的數量會以大約11年為周期穩定地上升、下降。然而,最近的這個太陽黑子周期——第24太陽活動周——開始的時間卻几乎晚了1年。在2009年6月和7月,終于有一些較弱的太陽黑子活動出現在了日面上。而在2008年,更是有超過260天的時間太陽上不見了黑子的蹤影。


[圖片說明]:2003年10月28日出現在太陽表面的黑子群,當時第23太陽活動周仍然相當活躍。版權:SOHO/NASA/ESA。
“在2008年和2009年的大部分時間里太陽猶如死寂了一般,”從1986年就開始進行太陽觀測的美國聖費爾南多天文台台長加里·查普曼(Gary Chapman)說,“一個典型的太陽黑子有地球的2或3倍大。現在我們在1個月里只能看到1或2個比地球還小的小黑子。而在通常的太陽活動極大期中,隨便哪一天你都能看到十几個黑子。”
太陽黑子的記錄可以追溯到公元前4世紀。但在1610年,當黑子運動穿過太陽表面的時候,伽利略對它們進行了細致的觀測。在這之后大約30年太陽進入了一個被稱為“蒙德極小期”的階段,在此期間太陽黑子几乎都消失了,從1645年到1715年這個太陽活動的極弱期持續了70年。
歐洲的嚴寒  藝术史的學生大多都非常熟悉文藝復興后期一系列描繪不尋常嚴冬的荷蘭繪畫作品。從1500年到1850年,一個小冰期席卷世界的許多地方,但事實證明它對北歐的影響尤其强烈。涼爽的夏季和異常寒冷的冬天成了家常便飯。嚴冬使得在封凍的倫敦泰晤士河上舉行的冰雪節一直持續舉辦到了1814年。
除了從1645年1715年長達70年的蒙德極小期之外,北歐還受到了另外兩個太陽極小期的影響:大約從1415年到1510年的施珀雷爾極小期和大約從1795年到1820年的多爾頓極小期。
一些科學家認為火山灰可能引發了小冰期,隨后蒙德極小期放大了它的效果。小冰期開始的時間其實早于蒙德極小期,並貫穿始終。
與一些報道相反,這一太陽的不活躍期其實被很好地記錄下來了。僅巴黎天文台的天文學家在1660年至1719年就進行了約8,000次觀測。1887年,德國天文學家古斯塔夫·施珀雷爾在整理了1672年到1699年間的太陽黑子記錄之后發現,黑子數只有不到50個。
這不禁讓人猜測大太陽極小會如何影響我們目前的氣候。但是,如果蒙德極小再次出現,我們也許會經歷降溫現象。不過,科學家對于大極小期的具体影響仍然持有爭議。不同的意見主要集中在地球大氣層會如何放大太陽的這些變化。
這同時也說明了太陽物理學和氣候學之間的脫節。太陽物理學家和氣候學家需要一起來研究太陽活動對地球氣候的影響。
在伽利略之后兩個世紀,德國天文愛好者海因里希·施瓦貝(Heinrich Schwabe)在長期尋找水內行星的過程中做出了一個驚人的發現。施瓦貝發現他所觀測到的太陽黑子似乎每隔十年就會出現一個高峰。出于不甚明了的歷史原因,天文學家把在1760年達到高峰的太陽周期定為“第1太陽活動周”。
從那時起,天文學家共目睹了23個太陽活動周。“2007年3月,我曾預言第24太陽活動周會至少推遲1年,”也于1986年開始對太陽進行觀測的、美國加州大學洛杉磯分校的太陽物理學家榮格·烏爾里希(Roger Ulrich)說,“這個太陽極小已經超過了1905年的。蒙德極小期的結束是最近一次我們看到這麼長的一個太陽活動周。不過我覺得,太陽活動的上升正在到來。”
這個異常漫長的太陽極小也提出了一個問題:太陽物理學家是否真的了解太陽內部的運轉?“如果你不擔心磁場,我們擔心,”烏爾里希說,“它們正是問題的結症所在。”


[圖片說明]:2010年2月2日太陽表面上僅僅點綴著一個小黑子。目前的這個太陽活動周(第24個)啟動的時間比往常的晚,而且至今仍未大幅增强。版權:SOHO/NASA/ESA。
太陽物理學家知道太陽磁場源自太陽的內部。等離子体的流動會產生電流,這就是太陽的發電機。進一步地,電流又會產生磁場。
在這個過程中,這些磁場會聚集並扭曲。這些被扭曲的磁場會阻斷氣体的對流和能量輸運。于是,在磁場衝破太陽表面(也就是光球層)的地方,溫度會比周圍的低1,500℃。這些區域輻射出的能量較少,因此看上去較暗——也就是我們看到的太陽黑子。
“根據發電機理論,”烏爾里希說,“太陽會產生環形磁場,而環形磁場又會產生太陽黑子。環形磁場就像一個綁在太陽身上的大橡膠帶。它的扭結就會形成太陽黑子對。”
但這並不是發生在太陽表面之下的全部。被稱為扭轉振蕩的東-西急流會慢慢地從太陽中緯度地區向赤道和兩極遷移。
一般來說,它們的遷移過程會需要17年的時間。但在2009年,美國國家太陽天文台(NSO)的太陽物理學家雷切爾·豪(Rachel Howe)和弗蘭克·希爾(Frank Hill)發現,最近這一個太陽活動周中的遷移已經放緩。“和先前的太陽活動周相比,目前急流向赤道運動的速度較慢,”希爾說,“所需的額外時間和太陽極小期的延長相當。我們認為這兩者是相關的。”
新的蒙德極小?
是否是急流造成了太陽極小的延長目前仍有爭議。即便如此,NSO的副台長、恒星天文學家馬克·賈姆帕帕(Mark Giampapa)認為我們也許正在進入一個長時間的蒙德型極小期或者所謂的大太陽極小期。他是最先提出這一觀點的太陽物理學家之一。
“我的直覺是,我們正在進入下一蒙德極小期,”賈姆帕帕說,“自1980年代以來的太陽黑子觀測數據顯示,太陽黑子的平均磁場强度存在一個長期下降的趨勢。”這些變化會通過某種方式影響地球嗎?賈姆帕帕指出,畢竟全球平均氣溫從1998年的極大以來一直在下降。
希爾並不認為我們正在進入蒙德極小期,但他認為太陽對流區底部的隨機發電機運動可能導致了這樣一個長極小期。


[圖片說明]:差不多和伽利略同時,克里斯托夫·沙伊納(Christoph Scheiner)從1611年起開始觀測太陽黑子。他們都描述了黑子穿過太陽表面的過程。版權:Linda Hall Library of Science, Engineering, and Technology。
即使我們正面臨著一個延長的極小期,希爾也並不認為它會對地球產生重大的影響。“我猜測一個大極小期對全球溫度的改變最多也只有1℃,”他說。但是一些科學家認為,地球自身的氣候機制可以通過太陽物理學家和氣象學家目前尚不完全了解的方式來放大任何的溫度變化。
英國利茲大學的應用數學家史蒂夫·托比亞斯(Steve Tobias)認為,“較差自轉”——即在太陽不同緯度和深度,太陽大氣的旋轉速度各不相同——會產生環形磁場,由此導致太陽黑子的形成。較差自轉的變化可能反過來會削弱太陽發電機。托比亞斯說,這也許會使得太陽活躍區無法形成,改變太陽發電機,導致太陽經歷一個蒙德型極小期。
守望群星
不管是什麼原因導致了這些事件,賈姆帕帕說他在一些類太陽恒星上也看到了蒙德型極小的初步證據。他和他的意大利同事研究了巨蟹座中距離地球2,700光年的疏散星團M67。他說,如果科學家證實了這一趨勢,這表明大極小期會占據類太陽恒星10%~15%的時間。
“毫無疑問,在過去的1万年里太陽已經經歷過了多次蒙德型極小期,”瑞士聯邦水科學和技术研究所的物理學家于爾格·貝爾(Jürg Beer)說。他的研究小組使用極地冰芯和樹木年輪中的放射性元素鈹-10和碳-14重建出了過去1万年的太陽活動歷史。“極小期本身並不沒有表現出明顯的周期性。但它們之間似乎會間隔大約200年。”
但是驅動著太陽短期活動甚至是大極小期的太陽磁場目前卻是個難題。這就是為什麼觀測和理論天文學家都希望能把太陽和類太陽恒星進行比較。迄今為止,科學家只發現了十几顆可供比較的恒星。這里的難點並不在于找到化學組成相匹配的恒星,這些恒星事實上相當普遍。問題在于天文學家還要求這些恒星具有和太陽相仿的年齡、質量以及磁場循環周期。


[圖片說明]:一個太陽黑子群可能包含了几十個黑子。每個黑子通常都包含了一個被稱為“本影”的黑色中央區域,那里的溫度較周圍的光球層低了大約1,500℃。它外圍的淺色區域則被稱為“半影”。版權:Royal Swedish Academy of Sciences。
地球的近鄰之一半人馬αA是一顆類太陽恒星。它屬于一個三星系統,距離我們只有4.36光年。然而,據估計它的年齡大約為60億年,比太陽大了15億。
但是,半人馬αA僅僅是其中一顆。使用歐洲南方天文台位于智利的甚大望遠鏡,賈姆帕帕的研究小組正在研究M67中的15顆類太陽恒星。由于M67中的恒星具有和太陽几乎一樣的化學組成和年齡(約35~48億年),因此它為尋找類太陽恒星提供了一個獨特的實驗室。賈姆帕帕說,經過6年的觀測,他們所觀測的這些恒星沒有一個具有6年以下的活動周期。
“我們確實看到了一些亮度變化,這說明太陽可能比大多數恒星都更平和,”賈姆帕帕說,“但M67中類太陽恒星的活動周期可能和我們的太陽極為類似。”
平和的太陽也許並不是壞事。“我們現在几乎山窮水盡了,”美國賓夕法尼亞州維拉諾瓦大學的天文學家愛德華·吉南(Edward Guiñan)說。這是因為,即使目前太陽只是處于其100億年氫燃燒壽命的一半處,但它的光度也許在未來的5億年之內就會上升到讓地球變得無法居住的地步。
更好的棲息地?
由于其相對較短的壽命,太陽可能並不是承載生命的最佳恒星人選。吉南說,光譜型為K型的恒星興許才是更好的棲息地。這些恒星擁有太陽80%的質量,較低的溫度也使得它們可以穩定地燃燒氫更長的時間。K型星具有固定的宜居帶,位于宜居帶中的行星表面可能會擁有液態水。從理論上講,智慧生命可以在那里生存400~500億年。
對于溫度更低的M型恒星,它們占據了銀河系中恒星的大約75%。雖然M型星可以存在很長一段時間,但它們所發出的輻射很弱。它們的宜居帶非常靠近恒星,其中的任何行星都會被潮汐鎖定,始終只有一面衝著恒星,而另一面則陷入無盡的黑暗。


[圖片說明]:高溫氣体會沿著太陽表面上方呈弧形的磁力線運動。基本上所有的太陽活動都源自于太陽表面之下、之內和之上的磁場。版權:TRACE/NASA/GSFC。
此外,K和M型星也有一個缺點。這兩種類恒星有著比太陽更高效的發電機,因此會釋放出更多的磁能。烏爾里希說,强磁場相比沒有磁場而言更加危險。他指出,有資料記錄以來太陽最强的帶電粒子噴發,即日冕物質拋射,發生在1859年的太陽超級風暴肆虐期間。“當時的極光明亮到使得在美國科羅拉多州野營的人們紛紛從睡夢中醒來,把它當成了是黎明的曙光,”烏爾里希說,“同時所有的電報設備都冒出了火花。”
這些非比尋常的事件都表明了我們的太陽可以是多麼的暴躁。這同時也令人遐想,太陽的演化及其經常起伏的活動周期是否正常?
為了回答這個問題,天文學家需要探測太陽和其他恒星的內部。通過測量從太陽發出的聲波,日震學正在研究太陽的內部結構和動力學。到目前為止,最好的觀測結果都來自太陽全球振蕩監測網(GONG)。


[圖片說明]:日震學通過測量太陽內部產生的聲波來探測太陽的結構和動力學。在這張計算機生成的圖片中,上升和下沉的氣体分別用藍色和紅色表示。版權:NSO/AURA/NSF。
GONG的星震學版——恒星振蕩監測網(SONG)——計划研究近距明亮恒星中的類太陽振蕩。這個由丹麥領導的國際合作將聯合5大洲的8架新望遠鏡。
這個監測網絡可以進行覆蓋全天24小時的觀測。科學家希望,SONG的原型機將會在2011年初投入使用。賈姆帕帕說,類似SONG這樣的全球監測網將幫助天文學家確認類太陽恒星是否也具有和太陽相似的活動周期以及蒙德型極小期。
尋找太陽的孿生兄弟
與此同時,葡萄牙波爾圖大學的天文學家豪爾赫·梅倫德斯(Jorge Meléndez)正領導著一個國際合作小組在尋找太陽的孿生兄弟。“我的小組已經研究了整個依巴谷星表中約75%的類太陽恒星,”梅倫德斯說,“奇怪的是,我們發現太陽的化學組成其實有別于大多數的太陽孿生兄弟。”


[圖片說明]:天龍座中暗弱的恒星HIP 56948是天文學家已發現的最接近太陽的恒星。
其部分原因是由太陽缺乏難熔元素所造成的。這些缺少的元素可能形成了塵埃,然后被星子吸積並最終形成了水星、金星、地球和火星這4顆類地行星。梅倫德斯指出,估計有15%的恒星似乎具有和太陽類似的化學組成,這同時也提高了這些恒星擁有類地行星的可能性。
迄今為止,梅倫德斯的小組所發現的最接近太陽的恒星是暗弱的HIP 56948。這顆9等星位于天龍座,距離地球約217光年。
美國宇航局的開普勒任務還會為太陽孿生兄弟的搜索提供星震學方面的信息。在為期4年的時間里,“開普勒”會監視100平方度的天區中的10万顆恒星。它所攜帶的儀器非常靈敏,可以探測到從恒星表面穿過的黑子。


[圖片說明]:疏散星團M67至少擁有15顆類太陽恒星,它們有著和太陽類似的質量、年齡以及組成。觀測顯示,這些類太陽恒星的活動周期都大于6年。版權:Xanadu Observatory。
美國高山天文台的天文學家特拉維斯·梅特卡夫(Travis Metcalfe)預計,在“開普勒”的工作壽命中它至少會發現100顆類太陽恒星。不過,他也强調,詳細了解太陽的關鍵是擴大對其他恒星的研究。“一直存在這樣一個風險,那就是如果我們非常仔細地研究太陽,那麼我們就只會按照太陽來調整我們的模型,”梅特卡夫說,“但同樣的模型也應該適用于其他恒星。”
在“開普勒”任務結束之時,科學家應該能部分地解決一個長期的問題,即太陽到底是不是獨一無二的或者太陽究竟有哪些特性是普遍共有的。在這個過程中,天文學家可能會發現一個太陽的孿生兄弟,而在它的周圍興許還圍繞著宜居的類地行星。
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