太陽黑子與它們的週期循環

  • Physics Today
  • 撰文者: 作者:Jay Pasachoff、Dan Seaton、Kevin Reardon, 譯者:林祉均
  • 發文日期:2023-06-20
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數千年以前,人們就曾在被雲霧或煙霾遮蔽的太陽上短暫地看見太陽黑子。但一直到伽利略等人的望遠鏡提供了足夠的放大倍率,太陽黑子才得以被詳細地研究,它們橫越日面的移動行為也終於能被追蹤。隨著觀察變得方便且清楚,相關的科學研究很快地取得突破。早在1613年,伽利略出版的書中便有一系列關於太陽自轉的精細手繪圖示。

到了十九世紀中期,海因利希· 史瓦貝(Heinrich Schwabe)理解到太陽黑子數量的變化是有週期性的。很快地,魯道夫· 沃夫(Rudolf Wolf)也發現它們大約每十一年便會歷經一次高峰期,如圖一所示。在1904 年,愛德華· 沃爾特· 蒙德(E. Walter Maunder)和安妮· 羅素·蒙德(Annie Russell Maunder)這對夫妻檔注意到黑子的分布也會隨時間和緯度而異,他們繪製的圖表顯示一個太陽週期中黑子的緯度逐漸下降,形狀像是隻張開翅膀的蝴蝶。

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圖一:陽黑子週期。太陽磁活動的週期性變化可以透過其表面黑子數量的變化來測量。曲線的最右端顯示了未來太陽黑子活動的預測。圖片背景是由日本的「陽光」衛星(Yohkoh)拍攝的X 射線圖像。在此波長下,數百萬K 的氣體(橙色)在低密度氣體區域(黑色)中顯得明亮,這些低密度氣體區域向北極延伸,形成一個由磁場界定的「日冕洞(coronal hole)」,是快速太陽風的來源。(圖源:David Hathaway and Lisa Upton)

磁場的測量

1908 年,喬治· 艾勒里· 海爾(George Ellery Hale)在威爾遜山天文台(Mount Wilson Observatory)使用了一個新的分光儀和太陽望遠鏡,確定了太陽黑子基本上是一種磁現象。黑子內部磁場強度的測量可以使用塞曼效應,一種特定光譜線依磁場大小產生分裂的現象。太陽黑子通常具有1000 至3000 高斯的磁場強度,比太陽整體的磁場強數千倍。

強磁場會減少對流帶來的能量,使得黑子比周圍光球(太陽的可見表面)要冷約1000K(見圖二)。儘管它在光球上是一個相對黑暗的區域,假使它在黑暗的天空背景下發光,它其實會比滿月還更亮。由於它們的光度較低,太陽黑子的數量是太陽總輻射量起伏的主要來源之一。

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圖二:單一太陽黑子特寫。這張高解析度的圖像(內圖)是在2020 年1 月28 日由井上建太陽望遠鏡(Daniel K. Inouye Solar Telescope)拍攝,波長為530 奈米,對應於可見光譜的綠黃色區域—接近太陽亮度最大的頻段,也是人眼敏感度最高的頻段而這並非巧合。太陽黑子是由強磁場和上升熱氣體的聯合作用產生的。請注意黑暗的本影和周圍的纖維(半影),以及外圍出現的背景太陽米粒組織。由全球振盪網絡小組(Global Oscillation Network Group)望遠鏡拍攝的廣角照片展示了整個太陽和這個直徑15,000 公里(與地球大小相當)的太陽黑子的相對大小。(圖源:NSO/NSF/AURA)

美國國家太陽觀測站的全新井上建太陽望遠鏡口徑4 公尺,位於海拔3000 公尺的夏威夷哈雷阿卡拉火山口邊緣。它針對紅外光波長的增強性能更適合研究太陽黑子,因為此波段中塞曼效應對磁場的靈敏度更高。

太陽黑子通常會集體出現,個別黑子會與其他磁極相反的黑子連接。此外,太陽對流層中的磁力線升至光球層時會變得扭曲糾結,進而產生額外的磁場複雜性。實務上,科學家使用沃夫黑子數(Wolf number)來追蹤太陽活動,該數字是個別黑子數量加上不同黑子群的數量乘十。

每日的太陽黑子數據由多個機構記錄,包括比利時布魯塞爾皇家天文台的世界資料中心。其網站上展示的太陽黑子週期可以追溯至300 多年前,並且每月更新,網址為http://sidc.oma.be/silso。追蹤太陽黑子週期的其他網站還包括美國國家太陽觀測站的太陽綜觀光學長期觀察(Solar Observatory’s Synoptic Optical Long-Term Investigations of the Sun,SOLIS),它最近已經搬到了加州的大熊湖太陽觀測站(Big Bear Solar Observatory)。SOLIS 儀器套件針對太陽現象提供了完整的視野,包括空間尺度上從數百公里到整個太陽盤面的範圍,以及從秒到數十年的時間尺度。

太陽黑子週期實際上是一個更普遍的磁場活動的太陽週期的表現,其中包括日珥,也就是相對較冷(幾萬K)的色球電漿因太陽磁場而懸浮在日冕中;另外還有日冕洞—此區域中的磁場線大幅度向外延伸,是高速太陽風的來源。這種活動還會引發突發的太陽閃焰,過程中日冕的電漿可能達到數千萬K 的溫度,或是以日冕物質抛射的方式被噴射到太陽系。

觀測與追蹤

http://solarmonitor.org,你每天都可以看到各種望遠鏡觀測和其他太陽活動數據的連結。該網站包括NASA 太陽動力學觀測衛星(Solar Dynamics Observatory)的磁場圖和極端紫外線影像。例如,來自已退役的陽光號衛星(Yohkoh)及其現任接班人日出號(Hinode)的X射線影像顯示,與太陽黑子重疊的區域有熱電漿(數百萬K)的劇烈發射,揭示了日冕內部密集磁場帶來的效應。

對太陽磁場演化的深入研究顯示完整的太陽磁場週期長達22 年。太陽的差異自轉(赤道區域自轉比極區快)會使磁場複雜度在幾年的時間內增加。增加的複雜度會產生太陽黑子和日冕物質抛射,這些現象會釋放儲存的磁能並使太陽的全球磁場在約11 年後回到初始狀態,不過磁極會發生反轉。(請參閱Gordon Holman 於2012 年4 月Physics Today 雜誌第56 頁的文章。)

在兩個太陽活動最小期之間的11 年期間,太陽黑子群會展現一種典型的磁場模式,其中帶頭的黑子普遍具有一種極性,而隨後的黑子則具有相反的極性(在北半球和南半球上的正負號是相反的)。而在接下來的11 年週期中,這種典型的磁極模式會反轉,直到太陽再次在20 多年後返回其初始狀態。

在過去的三十年內,一個被稱為全球振盪網絡小組的太陽觀測站系統持續從六個站點繪製太陽表面,這六個站點分布在不同經度,並且能幾乎持續不斷地提供影像。太空中的觀測衛星,諸如NASA 的帕克太陽探測器(Parker Solar Probe)和歐洲太空局的太陽軌道載具(Solar Orbiter)也將在未來幾年繼續以更靠近太陽的軌道繞行。

太陽軌道載具已經從新的視角捕捉到了光球層中太陽黑子的首張圖像,這個角度不在日地連線上。在2024 年,帕克太陽探測器將經過距離太陽表面僅620 萬公里的位置,成為首個直接採樣太陽外層大氣層中的電漿和磁場的太空任務(請參閱Nour Raouafi 於2022 年11 月Physics Today 雜誌第28 頁的文章)。

除了新的井上建太陽望遠鏡之外,其他具有高解析度太陽黑子成像能力的地面天文台包括位於加那利群島的1 公尺瑞典太陽望遠鏡和萊布尼茨太陽物理研究所的1.6 公尺格雷戈爾望遠鏡(Gregor telescope),以及紐澤西理工學院位於大熊湖太陽觀測站的1.6 公尺古德太陽望遠鏡(Goode Solar Telescope)。這些望遠鏡全都使用自適應光學來修正大氣造成的影像扭曲並銳化太陽黑子圖像。

但即使是普通的觀察者,只要使用簡單、有安全濾鏡的太陽望遠鏡,就可以像伽利略一樣,每天或每年追蹤太陽黑子,藉此體會太陽大氣中複雜的磁場活動。

本文感謝Physics Today(American Institute of Physics)同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today 雜誌內 Physics Today 76, 2, 54(2023);https://doi.org/10.1063/PT.3.5183。原文作者:Jay M. Pasachoff;Daniel B. Seaton;Kevin P. Reardon。中文編譯:林祉均,清華大學物理所研究生。


Physics Bimonthly(The Physics Society of Taiwan)appreciates that Physics Today(American Institute of Physics)authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Jay M. Pasachoff;Daniel B. Seaton;Kevin P. Reardon, and is published on(Physics Today 76, 2, 54(2023)https://doi.org/10.1063/PT.3.5183).The article in Mandarin is translated and edited by J.R Lin(National Tsing Hua University)