太阳黑子周期性研究 进行了三百多年的实验

　　【奇闻快递】7月3日消息，太阳物理学家 Max Waldmeier 是 20 世纪中叶瑞士最傲慢的天文学家。当他 1980 年退休时，同事们都松了一口气，因为终于可以从一项他在苏黎世天文台负责期间发起的工作中歇一歇了。Waldmeier 热衷于一项有史以来持续时间最长且可追溯到伽利略时代的科学实践数黑子。

　　苏黎世天文台是全世界数黑子的圣地黑子是太阳表面温度较低的暗黑区域，因太阳内部热循环受磁场抑制而产生。19 世纪以来，天文学家就把黑子与能够破坏地球生命的太阳爆发联系起来。今天科学家明白，太阳黑子区域会产生巨大的电磁场，会扰乱包括全球定位系统、电网和大气化学结构等在内的一切。

　　让 Waldmeier 的继任者感到不爽的是他的固执己见。在太空时代，他还坚持用肉眼数黑子。他用的望远镜是夫琅和费折射镜。这架以其 18 世纪发明者命名的望远镜，还是 1849 年苏黎世天文台的首位负责人 Rudolf Wolf 安装的。(由于 Waldmeier 言之不明，他的助手把夫琅和费望远镜搬回了家，装在了花园里。)自动观测——以及卫星太阳监测——它们的客观性明显要比咪着眼睛高。

　　尽管人们对 Waldmeier 有诸多不满，他的方法却被坚持了下来。太阳黑子的出现是有周期性的。它的数量会在大致 11 年内持续增长，随后又在大致 11 年中逐渐减少。Waldmeier 明白，要对此加以理解，实在是急不得，因为这个周期本身就这么慢。“我们不可能把它的速度加快，”比利时皇家天文台太阳影响数据分析中心主任、天文学家 Frederic Clette 说。“如果你想了解太阳，你就必须持续而长久地进行记录。”

　　天文学家赫歇尔相信它们是通往太阳内部黑暗世界的窗口，在辐射的保护下，有人在里面生活。

　　Clette 解释说，要让数据保持连贯，最好的观测方法是把过去和现在相连。与之相比，大多新科学的进展是在技术推动下取得的，但观测这颗赐予我们生命的恒星，最持久的器械还是人脑和人眼。

　　“现代科技和设备是强大的，技术只能涵盖几个太阳周期，无法呈现它在几个世纪中的变化，”Clette 说。他负责在全球范围内管理由苏黎世天文台 Wolf 发起的太阳黑子清点工作，亦即所谓的“国际太阳黑子数”。Clette 认为，统计黑子数量只有用人眼。“我们用眼睛计数，能使现在和遥远的过去相连。”

　　这是一件非凡的事情，Clette 说。观测本身就是一种最坚韧的科学方法。“这种信息的积累是长久而系统性的，它不但能够让我们更多地了解太阳黑子，还可以引导我们摘取王冠上的宝石——使我们最终有能力对未来进行预测。”

　　现代天文学诞生前至少三千年，人们就已经开始对太阳黑子进行观测。太阳是许多古代宗教的核心，所以它身上的任何瑕疵都无疑会被当作大事。赞比西河流域的古代非洲人认为黑子是心存忌妒的月亮溅在太阳脸上的泥点。古代中国人把黑子当成是建造空中楼阁的砖块，或是能体现国王性格的书法。维吉尔非常实际。他在农事历中这样警告说“当黎明(的太阳)有斑点时……小心下雨。”

　　伽利略对太阳黑子的研究更合乎科学，他在研究日面时，把黑子当作了校准的标记。他通过望远镜仔细观察了太阳每天的变化，并准确地推断出太阳是一个会沿轴线转动的球体，它的表面有会变化的斑点。在伽利略和其他早期天文学家眼中，黑子的出现是无序的。人们有了巨大的想像空间哲学家雷内·笛卡尔(Rene Descartes)认为黑子是原初泡沫的海洋。天文学家威廉·赫歇尔(William Herschel)相信它们是通往太阳内部黑暗世界的窗口，在辐射的保护下，有人在里面生活。

　　有一个业余天文学家只是想看看天空，并记录下他的所见。一位做生意的药剂师，Heinrich Schabe 从 1826 年开始观测太阳，他观测得很持久，一年超过 300 天，一共观测了四十年。起初他是想看看水星轨道内是否还有未被发现的行星。在一无所获之后，他的兴趣逐渐转到了斑驳的太阳表面。

　　1844 年，他已经记录了数万个太阳黑子。Schabe 逐渐确信，这些斑点的出现是有周期性的黑子的数量每 10 年便会经历一次盛衰。他无法对此作出解释，觉得其他人兴许可以从他的观测结果中学到点什么，所以在《天文学通讯(Astronomische Nachrichten)》上发表了一页长的笔记。他的这页纸被 30 岁的 Rudolf Wolf 读到了，他是伯尔尼天文台的负责人。1864 年，当他换任苏黎世天文台后，便决定对太阳黑子周期加以研究。

　　Wolf 并不满足继续记录黑子的数量。为了确认这究竟是不是一种周期，并进行认真的测量，他机智地想到要收集过去的数据——从 Schabe 的数据开始——并把这些数据与他自己的日常观测结合起来。

　　麻烦在于这些数据不同步。他们从 1849 年开始，直到 Schabe 1868 年所作的一次记录，其间的数千次数据即便是同一天的也各不相同。Wolf 的夫琅和费望远镜比 Schabe 的老旧设备要强大得多，这表明 Schabe 发现的黑子其实有许多是黑子群。为了弥补，Wolf 作了两个关键性决定。第一是审查他自己的记录——清点黑子群的数量——推断哪些是真正的太阳黑子。第二个是通过比较他们各自的记录，在二者的同天观测结果间找到一个比例，由此获得一个他称为 k 的系数。这个系数对 Schabe 在 1849 年之前获得的观测结果同样适用，这样就可以之与 Wolf 新获得的数据进行比校。

　　气候学家想要知道小冰期是不是由黑子活动“极小期”导致的，例如 18 世纪。

　　这个系数的作用是非凡的。通过比较一系列进行的观测，Wolf 用这种方式为其他科学家建立起了 k 系数，并且把黑子数据可靠地推进到了 1700 年。Wolf 建起了一张大陆黑子统计网，从零到数百不等，他们的日常统计成了最可靠的天文数据集之一。

　　数据显示，Schabe 所认为的黑子周期是存在的，它持续的时间却不准确。起初 Wolf 通过计算发现这个周期是 11 年，他觉得自己发现了原因因为十一年刚好是木星的公转周期。随着他收集的黑子周期数据越来越多，这种相关性就显得越来越不可信。黑子周期可以长达 14 年，也可以短至 9 年。木星的公转周期是不变的，所以他不得不承认自己的失败。

　　他不停地进行着计算，相信只要有足够的数据，总有人会发现黑子的运作机制。直到 1893 年去世他都在计算。而此时他的助手 Alfred Wolfer 已经跟着他计算了 17 年。k 系数使观测工作得以天衣无缝地移交给继任苏黎世天文台负责人手中，其中也包括傲慢的 Waldmeier。Waldmeier 开发出了更为先进的黑子分类法和磁暴预测法，极大推进了太阳科学的发展。

　　为什么太阳会有这种时而黑子多、时而黑子少的周期性表现?“说实话我们仍然不能确知其背后的真正原因，”Clette 承认。即使有 315 年的黑子数据，太阳黑子周期的内部运作方式仍未被完全阐明。

　　 Schabe 时代之后的进展仍然是巨大的，尤其在太阳风暴方面。1859 年，两位 Wolf 观测网的业余天文学家在黑子群内发现了一个明亮的耀斑。几天后电报服务便受到了干扰，整个欧洲都能看到极光。这些事件的发生使科学家相信它们之间存在着某种联系，合理的解释在 1908 年到来，那年天文学家 Gee Ellery Hale 用分光镜确认太阳黑子是有磁性的(彩色光谱会使磁性不易察觉。)人们终于了解了太阳的斑点。它们不是原初的泡沫，也不是太阳居民的标志，而是被磁场抑制的热量，热量原本会在太阳中传递，这种现象被称为太阳对流。

　　感谢太阳物理学，我们今天知道黑子周期是被太阳内部的等离子体驱动的。由于等离子体带电，而且太阳内部不同的等离子层转速不同，所以太阳就变成了一个发电机，产生了比地球极磁强数千倍的磁场。这一过程已在超级计算机上建立了模型，几个世纪的黑子数据帮助科学家在模拟中完善和验证这些模型，用以检验什么样的模型最符合对黑子周期的预测。模型越完美，我们对太阳黑子周期的认识就越透彻。

　　从电报时代迈入卫星时代后，人类对太阳黑子数目的计算更为迫切，Clette 解释说。“黑子数能让我们预测几个月或几年中干扰发生的频率和量级。”他说。通讯公司和电力公司会定期向比利时皇家天文台索取数据。民用航空也对太阳黑子的发展趋势非常关注，因为太阳磁场会影响电离层的无线电波穿透率，扭曲 GPS 坐标。假如太阳渐趋暴戾，飞行员就只能使用替代仪器进行导航。

　　太阳黑子和地球生命间可能也存在着更多的相关性。医学研究者敏锐地发现太阳磁场和癌症有关。经济学家则在探寻黑子周期和农业的关系。气候学家想要知道小冰期是不是由黑子活动“极小期”导致的——在此期间太阳几乎没有黑子——例如 18 世纪早期。(那时的绘画作品显示，人们可以在泰晤士河和威尼斯的湖面上滑冰。)

　　气候学取得的进展尤其令人瞩目。我们已经知道太阳辐射会改变上层大气的化学结构，黑子也会调节不同波长辐射的强度——从红外线开始，直至 X 线——并持续不断地轰炸我们的行星。把太阳黑子数量和太阳频谱变化联系起来，气候学家很快就可以推断出 18 世纪黑子极小期时太阳的光谱特征。

　　Wolf 从未料到，也是一个我们应该吸取的教训是当代科学中最为迫切的问题之一——全球气候变化——也要依赖这些很久以前收集的数据。“我觉得科学研究的本质就是观察一种无法理解的新现象，”Clette 说。“就好像发现了新的疆域。你知道其中有新知识，即便这些知识来自未曾料到的方向。”

　　解释太阳黑子周期，是对 Wolf 开创的这个持续了多个世纪的黑子清点实验的最终辩护。作为一名黑子清点管理人，Clette 非常高兴有另一个突破他最近联系上了从 Waldmeier 叛徒助手那里继承了 Wolf 仪器的人。古老的夫琅和费望远镜又可以为国际黑子清点工作作贡献了。

　　Clette 的欣喜并非感情用事，而是庆祝 Wolf 在黑子清点连贯性方面所扮演的核心角色。“我现在能够用这台望远镜与 k 系数建立起联系了，”他说。“它与 Wolf 在 19 世纪所建立起来的 k 系数完美相配——要知道现在的观测者并不是 Wolf。与 k 系数相配意味着这种‘眼-脑’体系在历经几个世纪后仍未过时。”

　　如果过去几个世纪所作的观测结果良好，那么它就可以一直持续到未来。黑子清点能为任何需要长周期数据收集的研究工作提供模型，比如对年老恒星在爆发为超新星前数千年中微妙变化的研究。几十代乃至几百代人之后，黑子清点终将会为超新星研究加分。

　　这个在时间上持续深远的实验最终也许会变成一个史诗般的挑战。它依靠了 Wolf 在统计学上的聪明才智和 Waldmeier 的坚韧不拔。在它发挥最大效用之前，也需要有 Schabe 那样的平静心态，谁也不知道最终会从数据中发现什么，但只要观测，就会有收获。