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太阳,让我好好看看你

http://finance.sina.com   2020年09月23日 19:51   北京新浪网

  来源:中科院地质地球所

  看太阳,一直是一门学问。

  《墨经》有载曰:“景,日之光反烛人,则景在日与人之间。”就是说,太阳光经过镜子反射,照在人的身上,影子就反而跑到人和太阳之间了。这证明至少在战国时期,我国就已经开始认识光。而到了今天,好奇的孩子不禁发问:那什么是“光”呢,现代科学又是怎么定义光的呢?只需要高中物理的水平,我们就能知道——光,就是电磁波。狭义上的“可见光”,则通常是指波长介于380nm—750nm的电磁波。

图|可见光在电磁波中的位置图|可见光在电磁波中的位置

  我们一般定义的可见光波段,是人眼可见的范围。不同的动物,其眼睛可见的光波长范围是不同的。光为人类带来了缤纷多彩的世界,吸引人类不断探索这个世界。

  今天我们知道,光具备波粒二象性。但在历史上,关于光到底是波还是粒子束,争论持续了很长时间。这个争论大体上起源于牛顿和胡克,牛顿是光学大师,发现了光的色散,他认为光是粒子。胡克也是光学大师,他发明了显微镜,他则持光是波动的观点,认为光像水波一样,在“以太”中波动传播。这两人时期近似,都在1660年前后。

  争论持续了两百多年,这期间,光的粒子学说和光的波动学说此消彼长,学说本身也有了很大的变革。直到鼎鼎大名的物理天才——爱因斯坦,于1905年前后提出“光的波粒二象性”,并给出了严谨的数学证明,争论才结束。原来之前的所有人都是对的,所有人也都是错的。

  宇宙中充满了电磁波,携带了丰富的信息。这些超出可见光范围的“光”,人眼是不能直接观察的。所幸,人类善于动脑和动手,可以发明并使用各式各样的工具。借助不同频率范围的望远镜、相机、分光计、单色仪等等光学仪器,我们得以捕获并分析这些光。而根据原子物理、天体物理、等离子体物理等学科的知识,我们得以解释宇宙中光线的含义。

图|一把尺子,对不同波长进行直观展示。第一行显示下方对应的波长能否穿透地球大气层;不同的波长(第二行)对应不同的现实尺度(第三行),以及相应的频率(第四行,可见光部分被用颜色标出来),和色温(第五行)。图|一把尺子,对不同波长进行直观展示。第一行显示下方对应的波长能否穿透地球大气层;不同的波长(第二行)对应不同的现实尺度(第三行),以及相应的频率(第四行,可见光部分被用颜色标出来),和色温(第五行)。

  对光的分析方法很多,而这些方法,不约而同地瞄准了我们地球最常见也最重要的光源——太阳。太阳是一颗“普通的恒星”,在主序星的序列中,太阳只是一颗非常普通的成员,一颗“黄矮星”。但对于太阳系来说,太阳占据了整个太阳系99.86%的质量,发出的光和热孕育了地球上的一切生命。所以理所当然,我们希望用一切能够想到的方法,去探索太阳的奥秘。

图|太阳、木星和地球(左下角微不足道的小点)的对比图|太阳、木星和地球(左下角微不足道的小点)的对比

  介于川老师还没来得及实践肉身登日的壮举,我们对太阳的观测主要还是远程的间接观测,例如地面的观测站和近地空间中的卫星,以及少量的太阳轨道上的探测器。

图|太阳的多种综合观测,从左上开始分别是:太阳多普勒图像(显示了太阳表面的移动)、磁场极性图像、连续体图像,以及1700埃一直到131埃波长电磁波(光)的成像。埃是波长的长度单位,指十分之一纳米。图|太阳的多种综合观测,从左上开始分别是:太阳多普勒图像(显示了太阳表面的移动)、磁场极性图像、连续体图像,以及1700埃一直到131埃波长电磁波(光)的成像。埃是波长的长度单位,指十分之一纳米。

  这些图片五彩斑斓,煞是好看,实际上是人类用光学手段,在不同波长,利用不同原理观测到的太阳。虽然都基于光,但却看到了太阳的不同性质。

  那么接下来,我们就逐一来解说,当我们用不同的“眼睛”,去观察太阳,会看到什么。

  先拍一张全景

  这里所说的全景,当然不是摄影中空间意义上的全景,而是光学意义上的全景。不用照相机,而是用光谱仪来观察太阳,研究太阳在所有频率电磁波上的辐射特性。

  这有什么好看的?赤橙黄绿青蓝紫,小学生都知道。牛顿用一套三棱镜,在暗室里将太阳光分开,成为一道彩虹,又用高速转动的彩色转盘,成功还原出白色——科学,就是这么简单。

  要真是这么简单就好了!我今晚想做咖喱饭,出去挑土豆胡萝卜洋葱。来到菜市场,我可以捏一捏,掂量掂量,了解一下是否新鲜。一些大方的店家,允许我们切开看看,甚至尝一尝。实在不放心,我们还可以拿去实验室,用各种试剂,定量地测量出日常物品的组成、质量等物理参数,比如土豆的淀粉含量,胡萝卜的胡萝卜素等等等等。然而太阳那么遥远,现在手边只有光谱的信息可供使用,我却贪心地想了解太阳的组成成份、质量、温度,这要怎么办呢?那就是使用好一个称为“吸收光谱”的工具。

  具体的物质,都有自己的吸收光谱。简单来说,就是特定的原子、分子等粒子,会吸收特定能级的光子。表现在宏观上,就会导致连续的光谱上出现近似线状的缺失。只要让温度较高的发光体的光线,通过温度较低的物质,就会出现这种现象。

发射光谱和吸收光谱的部分示意图,并不准确。彩条中间夹黑线,就是吸收谱。发射谱则是反过来,一一对应。发射光谱和吸收光谱的部分示意图,并不准确。彩条中间夹黑线,就是吸收谱。发射谱则是反过来,一一对应。

  没错,太阳也是一种“温度较高的发光体”,太阳光在向我们照射来的路上,无疑经历了很多的低温物体。抛开稀薄的行星际等离子体,和我们熟悉的大气层,太阳光经历的“温度较低的”物质,其实主要是太阳自身。

太阳圈层结构太阳圈层结构

  如果切开来看,太阳像个熟鸡蛋一样,分很多的圈层。其外围部分,类比地球的大气层,被我们称为“太阳大气”,从外向内,依次包括了日冕、色球层和光球层。

  光球层在最下面,然而光球层的温度却最高,可见光波段发光最强,地球获得的光和热主要就来自于光球层。这一层的平均等效温度为5780K,到光球层与色球层的边界则降至4000~4600K。

  色球层底部比光球层冷,但也比光球层厚的多,各项物理参数也复杂多变。

  如果作类比,光球层就是那“温度较高的发光体”,色球层就是“温度较低的物质”(当然,这并不严谨,光球层自己也可以吸收自己)。在光球层的照耀下,色球层的吸收谱线被我们观察到。进一步地,我们就能通过查找这些谱线对应的物质,来了解太阳的成份。

太阳吸收光谱。这些黑色的吸收线,揭示了太阳大气的成份。太阳吸收光谱。这些黑色的吸收线,揭示了太阳大气的成份。

  当然,太阳的发射光谱也含有丰富的信息。太阳主要是热发光,因此它的发光光谱十分接近于“黑体辐射”的光谱。理想的黑体辐射,其辐射光谱特征仅与黑体温度有关。我们可以通过发射光谱的形状、峰值、展宽,来推测恒星的温度,进而推算恒星的质量、大小等等参数。

地球上太阳光辐射的光谱。横轴是波长,纵轴是辐射通量密度。黑色曲线正是5778K温度下的黑体辐射理论谱线,这个温度就是我们推测光球层平均温度的依据。黄色部分,是地球大气层外的太阳光谱,可以看出,非常好地拟合了黑体辐射谱线。而红色部分是海平面附近的光谱,蓝色字样则是各种地球大气成分的吸收峰位置,正好一一对应。地球上太阳光辐射的光谱。横轴是波长,纵轴是辐射通量密度。黑色曲线正是5778K温度下的黑体辐射理论谱线,这个温度就是我们推测光球层平均温度的依据。黄色部分,是地球大气层外的太阳光谱,可以看出,非常好地拟合了黑体辐射谱线。而红色部分是海平面附近的光谱,蓝色字样则是各种地球大气成分的吸收峰位置,正好一一对应。

  此外,黑体辐射还是开启量子力学的钥匙。俗话说的好,量子力学量力学,实在是一门高深的物理,在这里就不展开了。

  所以,借助光谱——包括发射光谱和吸收光谱,我们至少可以知道,太阳的大致成分,以及平均的大致温度,甚至可以进一步推算质量。我们对自然界的探索,就是这样从宏观,到微观,再到宏观;从宇宙,到实验室,再回到宇宙。

  不过,俗话说横看成岭侧成峰,采用不同的视角,观察不同的层面,我们才能更好地了解事物。对应到太阳的光学观测,我们也应该加上“滤镜”——

  再加上滤镜

  我们已经知道,可见光虽然是阳光的主要成分,但并不是全部。对于我们人类来说,可见光范围之外的光到底是什么颜色?我们没有直观的感受。我们需要借助成像设备,在不可见光下曝光,才能了解不可见光的强度。

  那是一个阳光明媚的下午,小明约着几个朋友开开心心去公园滑板。他暗恋的张三刚好路过,为了耍帅小明当场表演了一套高难度的P20再来一套Kickflip外加空中转体720,落地时一不小心脚滑骨折了。对于来到医院的小明,如果医生想知道他的情况,不可能简单通过观察就能知道他那里的骨头折了,更不可能上完手术台再去制定治疗方案。

一张右腿的X光片。X光片其实就是黑白照片,而且是负片。只不过成像的光源变成了X光。一张右腿的X光片。X光片其实就是黑白照片,而且是负片。只不过成像的光源变成了X光。

  有过骨科经历的朋友一定立刻就想到了X光。没错,X光正是不可见光的一种。X光片看起来是黑白的,是因为X光显影物质只呈现了X光投影的强弱。

  对于其他不可见光也是一样,我们可以用多种不同的显影物质或者CMOS、CCD,根据不可见光的强度制作成可以拍摄不同波长光线的相机。波长短的,有紫外相机,X光相机,γ射线相机;波长长的,有红外相机,远红外相机;再往射电频率进发,还能制作“射电天文望远镜”——没错,广义来说,它们也是“相机”,只不过光学透镜变成了反射面,CCD换成了接收天线。

不同波长拍摄的同一道日珥。其实这四张照片都是单色的“黑白照片”,是后期进行了染色,变成了“黑红”、“黑黄”、“黑粉”和“黑绿”照片。不过这里是正片。不同波长拍摄的同一道日珥。其实这四张照片都是单色的“黑白照片”,是后期进行了染色,变成了“黑红”、“黑黄”、“黑粉”和“黑绿”照片。不过这里是正片。

  手机里常见的CMOS,大多具有三层滤光片:红、绿、蓝。三种颜色能通过滤光片,形成三层“黑白”的单色图像。三层单色图像叠加在一起,就成了一张“彩色”的照片。

  给太阳拍照,我们也要加滤镜。这不是为了美颜,而是为了拍摄出独特波长下的太阳。还是考虑黑体辐射的原理,发光体温度越高,其发出的光线的主要波长就越低。因此如果我们拍摄不同波长的太阳,就能看出太阳更加细分的温度结构。

同一轮太阳,不同的波长,可以看出,细节很不一样。这些细节反映了太阳的精细结构,温度分布等。同一轮太阳,不同的波长,可以看出,细节很不一样。这些细节反映了太阳的精细结构,温度分布等。

  使用这样的镜头,我们可以直接越过厚实的色球层,看到光滑的光球层和上面的黑子;也可以聚焦于狂暴的日珥、日冕物质喷射(CME)。

  我们费尽心思,要层层揭开太阳的神秘面纱——这面纱可真够厚的——不是仅仅出于好奇或者说是炫技,而是因为,太阳作为太阳系的主宰,任何一点轻微的活动,都会对整个太阳系,尤其是我们所居住的地球,造成重大的影响。

  所以我们当然,要向青草更青处漫溯,用更先进的手段,寻找太阳更多的风景,了解更多的秘密——

  最后,向青草更青处漫溯。

  我们前面已经讲到了日冕物质抛射、太阳黑子、日珥等等狂暴的太阳活动。伴随着这些活动,地球上总是能监测到地球磁场、地球电流体系等等的波动和变化。而磁场和电流体系的变化,对于人类的导航技术、通讯技术,尤其是依赖磁场导航、卫星导航和电离层通讯的各种无线电,都有很大的影响。严重时,甚至会使现代科技完全停摆。

1989年3月13日,加拿大魁北克大停电。上图是当天凌晨,美国纽约州拍到的反常的前所未见的极光现象。当天的地磁Dst指数突破了500,通常高于100就已经是一次大磁暴了。目前认为其根源就是一次强烈的太阳风暴。1989年3月13日,加拿大魁北克大停电。上图是当天凌晨,美国纽约州拍到的反常的前所未见的极光现象。当天的地磁Dst指数突破了500,通常高于100就已经是一次大磁暴了。目前认为其根源就是一次强烈的太阳风暴。

  太阳是一团炽热的等离子体,一个大火球,内部涌动着狂暴的核聚变能量,当然不可能岁月静好地安静燃烧。

  在等离子体物理中,我们通常认为,等离子体受到磁场约束,同时等离子体又被自身内部的热能驱动,向外发散。在通常情况下,热能形成的“热压”,和磁能形成的“磁压”,相互拮抗,达到平衡。但在太阳这样一个狂暴的地方,平衡随时都会被打破,引发能量狂暴的释放。目前流行的理论认为,总是成对出现的太阳黑子,之所以“黑”,就是因为热压相对周围亮的区域更低——在这种情况下,磁压占据主导,从而形成狂暴的磁场,释放磁能。

伽利略观测太阳黑子的手绘。15世纪初,伽利略就观测到了太阳黑子。现在公认的世界上第一次明确的黑子记录是公元前28年我国汉朝人所观测到的。在《汉书·五行志》里是这样记载的:“成帝河平元年三月乙未,日出黄,有黑气,大如钱,居日中央”。伽利略观测太阳黑子的手绘。15世纪初,伽利略就观测到了太阳黑子。现在公认的世界上第一次明确的黑子记录是公元前28年我国汉朝人所观测到的。在《汉书·五行志》里是这样记载的:“成帝河平元年三月乙未,日出黄,有黑气,大如钱,居日中央”。

  然而,细心的读者就看出来了——既然川老师还没有上过太阳,科学家是怎么知道太阳磁场的呢?

  答案是——还是通过光学观测。

  磁场与物质作用的方式是简洁明了,而不可抗拒的。只要带电的物质,都要受磁场的影响——包括原子核和其电子轨道。太阳的强磁场使得原子的每个能级,都发生分裂,一个变成两个。能级分裂的程度,与磁场的强度有关,这被称为“塞曼效应”。

  表现在太阳的光谱上,就是光谱线的分裂。因此,只要我们观测到太阳上某个区域出现光谱的塞曼效应,就可以反推这个区域磁场的强度。这种仪器,被称为“磁象仪”。

北京怀柔太阳观测基地。这里就部署了多台不同用途的太阳磁象仪。北京怀柔太阳观测基地。这里就部署了多台不同用途的太阳磁象仪。

  根据这些观测,结合理论推算,我们现在已经可以对太阳的磁场进行建模——那真是一团乱麻。

NASA制作的太阳表面磁场的仿真动画。NASA制作的太阳表面磁场的仿真动画。

  除了磁场,近些年来,我们还发展出了观测太阳振动的手段。原理依然很简单——多普勒效应。我们知道逐渐远离我们的发光体,光谱会发生红移;逐渐接近我们的发光体,光谱会发生蓝移。太阳表面的振动导致那一个区域相对于地球不断发生红蓝移,只是非常微弱,以前我们可能观测不到。

太阳表面(光球层)的多普勒成像。太阳表面(光球层)的多普勒成像。
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