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科学松鼠会

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独一无二的太阳?   

2014-07-02 10:42:46|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:Shea

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”——即在太阳不同纬度和深度,太阳大气的旋转速度各不相同——会产生环形磁场,由此导致太阳黑子的形成。较差自转的变化可能反过来会削弱太阳发电机。托比亚斯说,这也许会使得太阳活跃区无法形成,改变太阳发电机,导致太阳经历一个蒙德型极小期。

守望群星

不管是什么原因导致了这些事件,贾姆帕帕说他在一些类太阳恒星上也看到了蒙德型极小的初步证据。他和他的意大利同事研究了巨蟹座中距离地球2,700光年的疏散星团M67。他说,如果科学家证实了这一趋势,这表明大极小期会占据类太阳恒星10%~15%的时间。

“毫无疑问,在过去的1万年里太阳已经经历过了多次蒙德型极小期,”瑞士联邦水科学和技术研究所的物理学家于尔格·贝尔(Jürg Beer)说。他的研究小组使用极地冰芯和树木年轮中的放射性元素铍-10和碳-14重建出了过去1万年的太阳活动历史。“极小期本身并不没有表现出明显的周期性。但它们之间似乎会间隔大约200年。”

但是驱动着太阳短期活动甚至是大极小期的太阳磁场目前却是个难题。这就是为什么观测和理论天文学家都希望能把太阳和类太阳恒星进行比较。迄今为止,科学家只发现了十几颗可供比较的恒星。这里的难点并不在于找到化学组成相匹配的恒星,这些恒星事实上相当普遍。问题在于天文学家还要求这些恒星具有和太阳相仿的年龄、质量以及磁场循环周期。

[图片说明]:一个太阳黑子群可能包含了几十个黑子。每个黑子通常都包含了一个被称为“本影”的黑色中央区域,那里的温度较周围的光球层低了大约1,500℃。它外围的浅色区域则被称为“半影”。版权:Royal Swedish Academy of Sciences。

地球的近邻之一半人马αA是一颗类太阳恒星。它属于一个三星系统,距离我们只有4.36光年。然而,据估计它的年龄大约为60亿年,比太阳大了15亿。

但是,半人马αA仅仅是其中一颗。使用欧洲南方天文台位于智利的甚大望远镜,贾姆帕帕的研究小组正在研究M67中的15颗类太阳恒星。由于M67中的恒星具有和太阳几乎一样的化学组成和年龄(约35~48亿年),因此它为寻找类太阳恒星提供了一个独特的实验室。贾姆帕帕说,经过6年的观测,他们所观测的这些恒星没有一个具有6年以下的活动周期。

“我们确实看到了一些亮度变化,这说明太阳可能比大多数恒星都更平和,”贾姆帕帕说,“但M67中类太阳恒星的活动周期可能和我们的太阳极为类似。”

平和的太阳也许并不是坏事。“我们现在几乎山穷水尽了,”美国宾夕法尼亚州维拉诺瓦大学的天文学家爱德华·吉南(Edward Gui?an)说。这是因为,即使目前太阳只是处于其100亿年氢燃烧寿命的一半处,但它的光度也许在未来的5亿年之内就会上升到让地球变得无法居住的地步。

更好的栖息地?

由于其相对较短的寿命,太阳可能并不是承载生命的最佳恒星人选。吉南说,光谱型为K型的恒星兴许才是更好的栖息地。这些恒星拥有太阳80%的质量,较低的温度也使得它们可以稳定地燃烧氢更长的时间。K型星具有固定的宜居带,位于宜居带中的行星表面可能会拥有液态水。从理论上讲,智慧生命可以在那里生存400~500亿年。

对于温度更低的M型恒星,它们占据了银河系中恒星的大约75%。虽然M型星可以存在很长一段时间,但它们所发出的辐射很弱。它们的宜居带非常靠近恒星,其中的任何行星都会被潮汐锁定,始终只有一面冲着恒星,而另一面则陷入无尽的黑暗。

[图片说明]:高温气体会沿着太阳表面上方呈弧形的磁力线运动。基本上所有的太阳活动都源自于太阳表面之下、之内和之上的磁场。版权:TRACE/NASA/GSFC。

此外,K和M型星也有一个缺点。这两种类恒星有着比太阳更高效的发电机,因此会释放出更多的磁能。乌尔里希说,强磁场相比没有磁场而言更加危险。他指出,有资料记录以来太阳最强的带电粒子喷发,即日冕物质抛射,发生在1859年的太阳超级风暴肆虐期间。“当时的极光明亮到使得在美国科罗拉多州野营的人们纷纷从睡梦中醒来,把它当成了是黎明的曙光,”乌尔里希说,“同时所有的电报设备都冒出了火花。”

这些非比寻常的事件都表明了我们的太阳可以是多么的暴躁。这同时也令人遐想,太阳的演化及其经常起伏的活动周期是否正常?

为了回答这个问题,天文学家需要探测太阳和其他恒星的内部。通过测量从太阳发出的声波,日震学正在研究太阳的内部结构和动力学。到目前为止,最好的观测结果都来自太阳全球振荡监测网(GONG)。

[图片说明]:日震学通过测量太阳内部产生的声波来探测太阳的结构和动力学。在这张计算机生成的图片中,上升和下沉的气体分别用蓝色和红色表示。版权:NSO/AURA/NSF。

GONG的星震学版——恒星振荡监测网(SONG)——计划研究近距明亮恒星中的类太阳振荡。这个由丹麦领导的国际合作将联合5大洲的8架新望远镜。

这个监测网络可以进行覆盖全天24小时的观测。科学家希望,SONG的原型机将会在2011年初投入使用。贾姆帕帕说,类似SONG这样的全球监测网将帮助天文学家确认类太阳恒星是否也具有和太阳相似的活动周期以及蒙德型极小期。

寻找太阳的孪生兄弟

与此同时,葡萄牙波尔图大学的天文学家豪尔赫·梅伦德斯(Jorge Meléndez)正领导着一个国际合作小组在寻找太阳的孪生兄弟。“我的小组已经研究了整个依巴谷星表中约75%的类太阳恒星,”梅伦德斯说,“奇怪的是,我们发现太阳的化学组成其实有别于大多数的太阳孪生兄弟。”

[图片说明]:天龙座中暗弱的恒星HIP 56948是天文学家已发现的最接近太阳的恒星。

其部分原因是由太阳缺乏难熔元素所造成的。这些缺少的元素可能形成了尘埃,然后被星子吸积并最终形成了水星、金星、地球和火星这4颗类地行星。梅伦德斯指出,估计有15%的恒星似乎具有和太阳类似的化学组成,这同时也提高了这些恒星拥有类地行星的可能性。

迄今为止,梅伦德斯的小组所发现的最接近太阳的恒星是暗弱的HIP 56948。这颗9等星位于天龙座,距离地球约217光年。

美国宇航局的开普勒任务还会为太阳孪生兄弟的搜索提供星震学方面的信息。在为期4年的时间里,“开普勒”会监视100平方度的天区中的10万颗恒星。它所携带的仪器非常灵敏,可以探测到从恒星表面穿过的黑子。

[图片说明]:疏散星团M67至少拥有15颗类太阳恒星,它们有着和太阳类似的质量、年龄以及组成。观测显示,这些类太阳恒星的活动周期都大于6年。版权:Xanadu Observatory。

美国高山天文台的天文学家特拉维斯·梅特卡夫(Travis Metcalfe)预计,在“开普勒”的工作寿命中它至少会发现100颗类太阳恒星。不过,他也强调,详细了解太阳的关键是扩大对其他恒星的研究。“一直存在这样一个风险,那就是如果我们非常仔细地研究太阳,那么我们就只会按照太阳来调整我们的模型,”梅特卡夫说,“但同样的模型也应该适用于其他恒星。”

在“开普勒”任务结束之时,科学家应该能部分地解决一个长期的问题,即太阳到底是不是独一无二的或者太阳究竟有哪些特性是普遍共有的。在这个过程中,天文学家可能会发现一个太阳的孪生兄弟,而在它的周围兴许还围绕着宜居的类地行星。

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