太陽為什麼變安靜了？

新聞 05-24

原標題：太陽為什麼變安靜了？

在過去十年里，太陽觀測者一直處於瘋狂狀態，煞費苦心地嘗試弄清那越來越令人困惑不解的太陽黑子活動周期——或者毋寧說是缺少這些周期。

2014年6月，在極紫外波段，一個能量強勁的活躍區隨著太陽旋轉進入視野，產生了兩個非常強烈的輻射——X型耀斑。（圖片來源：太陽動力學觀測台、美國宇航局）

科學家認為太陽的活動峰值以11年為一個周期，理應像鐘錶那樣按照固定模式準確地運行，較強和較弱的黑子、耀斑和短時間的日冕物質拋射交替出現。但始於2008年的第24個太陽周期和預計2020年到來的第25個周期卻表現異常。

第24個周期的太陽黑子峰值推遲了近一年才出現，而且看起來是近一百年里最小的，在不斷減弱的黑子活動周期里位列第三。所以，第25個周期有可能比第24個周期還要弱。

太陽——地球生命的能量源泉——最近異常安靜。天文學家正在試圖理解它為什麼這麼安靜。（圖片來源：太陽動力學觀測台、美國宇航局）

預示著一個平靜的未來

馬里蘭州美國宇航局（NASA）戈達德空間飛行中心的天體物理學家Dean Pesnell說：「用來標示第25個太陽活動周期的領先（太陽極地磁場）指標顯示，下一個周期將與當前這個周期很相似。在過去的四個周期里，這個指標一直都很准。不走運的是，天文學家無法準確預測在下一個極大值之後太陽的活躍度如何」。他提到科學家還沒有充分理解太陽內部循環往複的磁場增強過程。

太陽的種種怪異行為讓天文學家心生疑竇。上一個活動周期是否暗示了太陽以後的行為？對接下來的2至3個太陽活動周期，我們有怎樣的預期？地球是否註定要有一個比較寒冷而不是更溫暖的氣候？對身邊這顆G2光譜型中年恆星的古怪行為，我們的認識是否需要調整，甚至說是有缺陷的？

美國維拉諾瓦（Villanova）大學的天文學家Edward Guinan說，第24個周期是近一個多世紀以來太陽黑子和磁場活動周期里最弱的周期之一。這個周期（可能還有第25個周期）可能屬於所謂的百年周期。太陽黑子的觀測記錄（即黑子的變化趨勢和磁場強度）確實顯示了即將到來的太陽黑子活動極小期會非常低，而且（第25個周期）也一樣不高，甚至比現在這個還弱，Guinan說。

在這張太陽活動隨時間的變化圖中，我們可以看到始於2008年、相對比較安靜的第24個周期。（圖片來源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）

沒有能夠做出預測的太陽發電機（產生太陽磁場的物理過程）理論，我們就不清楚在接下來的幾個周期里會發生什麼，美國亞利桑那州圖森市國家太陽觀測台的副台長Mark Giampapa說。「現在，太陽表面之下的流場似乎顯示第25個周期將比當前這個周期還要弱，太陽黑子的數目不會超過100個，」他說。

儘管如此，NASA艾姆斯研究中心的天體物理學家David Hathaway卻說，接下來的5至6個太陽活動周期將會越來越強，再往後的5至6個周期又會逐漸減弱。他認為太陽目前正處在一個活躍度不斷降低的階段。

2015年5月，太陽動力學觀測台在極紫外波段拍攝的照片顯示太陽上湧現出了十幾個活躍區。在當前這個相對不太活躍的時期，這算是太陽異常活躍的一天了。（圖片來源：太陽動力學觀測台、美國宇航局）

太陽活動周期的物理成因

太陽活動周期與太陽磁場的產生息息相關。科學家認為恆星內部的較差自轉（太陽大氣的旋轉速度在不同的緯度和深度不盡相同）引發了磁場的出現。太陽的兩極區域比赤道區域轉得慢。在太陽的光球層（可見的太陽表面）內部，磁場的扭曲和轉向又可能影響太陽黑子的形成。

天文學家相信在太陽內部，導電等離子體的動態流動產生磁場。這一過程又會產生電流，形成太陽發電機，引發磁場。然而，如果較差自轉發生變化就會削弱太陽發電機。如果太陽發電機減弱到一定程度，就會陷入所謂的太陽活動極小期。其中最出名的就是1645年至1715年、持續70年之久的蒙德極小期（Maunder Minimum）。那時，常常好幾年都見不到一個太陽黑子。

四百年的太陽黑子觀測記錄顯示了蒙德極小（Maunder Minimum）、道爾頓極小（Dalton Minimum），還有過去十或二十年的太陽黑子數目——在歷史上也屬於比較安靜的時期。（圖片來源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）

這些日子，太陽雖然很活躍卻缺少黑子，有點不同尋常。是什麼原因導致了這種情況？Giampapa說，第24個周期很像20世紀初的第14、第15個周期。他還指出真正需要回答的問題可能是，是什麼驅動了以前的那些我們稱之為現代極大期的強周期？一般認為，這些強周期始於1914年第15個周期。「沒有完整的太陽發電機理論，我們很難理解驅動弱黑子活動周期的真正原因，」他說。

在19世紀的大部分時間裡，太陽黑子的數目都有點偏低。但在1930至1990年，太陽似乎又比平常活躍一點。「有很多種方法去『預測』太陽活動周期的強度，但大多數都沒說對，」耶魯大學的天文學家Sarbani Basu說。「如果，正如一些人建議的，太陽活動周期的強度是一個無法預測的混亂現象，那當然確實沒辦法預測。」

即使如此，Basu還是立即指出太陽目前的行為並非全無先例。在20世紀早期就曾出現過許多弱周期。

那些周期又是如何產生的呢？印度科學教育與研究學院的空間科學家Dibyendu Nandi解釋說，當太陽內部的等離子體流的能量轉換成磁場的能量，就出現了活動周期。在一個活動周期里，從太陽表面活躍的黑子區域冒出來的磁場在朝兩極傳輸的過程中形成了太陽極地（南北向）磁場，Hathaway說。

太陽內部流的流動驅動了太陽發電機，產生了太陽磁場。太陽旋轉引起環流（帶箭頭的弧線）。在太陽內部更深處，黃色區域標示出了太陽的輻射區，在輻射區內部太陽基本上做剛體旋轉。熱能靠對流向外傳遞。左側的剖面圖展示了子午環流——等離子體在赤道和極地區域之間移動。（圖片來源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）

這些南北向的磁場從對流層穿過，被較差自轉切斷。這意味著外圍區域在赤道旋轉得比在兩極快。Hathaway說：「磁場被切斷後，磁場方向改為由東向西。當這些磁場變得足夠強大，就從活躍區表面冒出來，只是它們的東西走向極性與上一個周期的極性方向相反，」。

在極紫外波段拍攝的圖像顯示了磁力線從太陽的活躍區冒出來，向外伸展。（圖片來源：太陽動力學觀測台、美國宇航局）

Hathaway指出，一個活動周期的強度是由11年太陽活動周期開始時極地磁場的強度決定的。極地磁場的強度反過來又取決於上一個活動周期里活躍區的強度和數目。

在這張拍攝於2014年12月的合成圖中，能明顯看出太陽黑子和明亮的耀斑之間存在著物理關聯。（圖片來源：太陽動力學觀測台、美國宇航局）

磁場的性格

美國科羅拉多州博爾德市空間科學研究所的天文學家Travis Metcalfe最近在《天體物理學報通信》發表論文稱，隨著恆星逐漸變老，磁阻尼（magnetic braking）會讓它們越轉越慢。Metacalfe說，太陽可能已進入到一個全新的、無法預料的、更安靜的長期演化階段。

這段相對比較安靜的階段需要幾億年才能結束，Metcalfe說。結果是短期的太陽活動周期終將消失，他補充道。但問題是我們如何確切知道太陽是否已經進入了安靜的中年期呢？

「為了檢驗這個假說，我們需要監測更多類太陽恆星的活動情況，」Giampapa說。「太陽是否已經進入這樣的安靜階段，我們還無法回答。」如果我們談論的是太陽活動周期強度的近期起伏，那麼Metcalfe與同事的研究工作就並關痛癢，Basu說。「他們的工作基本上是在提示我們說，太陽在大約20億年前甚至更早的時候應該活躍得多，」她說。

Guinan說他的研究團隊通過研究與太陽年齡、光譜類型相近的恆星已經得出結論：這些恆星大多數都和太陽一樣，有星冕X射線輻射和色球層活動，還有與太陽相似的活動周期。他舉了幾個明亮的恆星做例子，其中包括天蠍座18（尾宿八，一顆距離我們大約45光年遠的類太陽恆星）和半人馬座阿爾法A星（一顆約4光年遠的類太陽恆星）。

不過，Guinan也確實提到，比太陽年老20億年左右的恆星（如天鵝座16A和16B）似乎已經進入了Metcalfe與同事提出的漫長的低活躍期。「我們最近用錢德拉X射線天文台觀測天鵝座16A和16B，驚訝地發現它們的星冕X射線輻射很微弱，幾乎探測不到，」Guinan說。「我們估算它們的輻射還不到日冕X射線輻射的十分之一。」

Guinan說，一個比較有意思的檢驗方法是觀測與太陽年齡差不多的疏散星團M67里的光譜G型恆星，看看它們的活躍程度、旋轉速度及黑子覆蓋範圍與太陽的是否相似。他還提到NASA的開普勒空間探測器剛剛對這個重要的星團進行了觀測，他和同事們正在分析由「開普勒」提供的M67里類太陽恆星的觀測數據。以前的研究發現，這些恆星的行為與太陽相似，Guinan說。

巨蟹座里的星團M67包含了各種類太陽恆星，也許能讓天文學家更好地認識太陽。（圖片來源：RICHARD McCOY）

「有跡象表明太陽正處於磁場發電機的轉換期，不過(這)會持續幾百萬年，」Hathaway說。「根據太陽對流區動力學模型，還有太陽目前的旋轉速度，太陽的赤道區域有越轉越慢的傾向，而兩極則轉得越來越快。」所以，這是否算是某種極小期呢？

Hathaway說根據他們的研究，這更有可能不是像蒙德極小那樣的極小期——幾十年都看不到黑子，而是像約200年前的道爾頓極小（Dalton Minimum）那樣的一個較小的極小期。

然而，Nandi指出我們還沒達到道爾頓極小（從1790年至1830年出現的幾個弱周期）出現的那種低活躍度。那次極小期過後，太陽明顯變得活躍起來。Nandi說，以前的證據否定了在幾個弱周期之後常跟著一個極小期的猜測。

關於太陽行為的理論是不是有缺陷或者需要調整？不，Basu說。把太陽歸入光譜G2型似乎是正確的，她說。「我們目前還沒有完全理解的是磁場的短期行為（如11年太陽活動周期），」Basu說。「那正是大多數太陽物理學家正在忙著研究的內容。」

正如Giampapa所說，有關太陽和恆星磁場活動的性質和演化預測理論還不完整。目前我們還不清楚這些弱周期會對全球氣候有何影響。

「最近對太陽黑子數目的重新校準愈發表明太陽活動對氣候的影響處於最小，而且僅限於太陽光度發生0.1%的變化，」Hathaway說。「這使全球溫度只有0.1攝氏度的變化——幅度太小不至於引發一個『小冰河期』。」

太陽黑子和地球氣候

缺少太陽黑子到底對氣候有沒有影響？Guinan認為太陽活動對全球氣候產生影響的唯一途徑就是作用於地球的高層大氣。

Guinan解釋說在太陽活動周期中，太陽的光度變化不超過0.2%。但他也提到在任一個活動周期，太陽的X射線強度可以變化6至8倍，遠紫外輻射的變化幅度在20%左右。因此，如果太陽的高能輻射通過一些未知的放大反饋機制影響地球的熱層和平流層，就會對低層大氣的能量傳遞產生作用，甚至改變行星環流，導致全球溫度發生微小變化，Guinan說。不過，最近的空間觀測能讓科學家研究太陽內部的動力學過程（通過探測太陽的內部流）與太陽磁場、微粒輸出的關聯。

為了完全理解這一切，我們還可以做些什麼呢？最先進的計算機模擬能夠更真實地模擬太陽的物理行為。但真正有幫助的是從上（下）方對太陽極地區域進行觀測，看看它在11年太陽周期中的行為，Nandi說。

歐洲空間局的太陽軌道飛行器（Solar Orbiter）將在今年發射升空。它要做的就是這個，而且能更準確地預報太陽黑子的活動周期。Nandi說，專門觀測處於氫燃燒主序階段的類太陽恆星在不同時期發出的X射線輻射也有助於我們認識恆星磁場在恆星一生中的變化情況。

歐洲的太陽軌道飛行器將在今年發射升空，向著認識我們的母星——太陽邁出了一大步。（圖片來源：歐洲空間局）

「我們才剛剛開始領會到母星的活動如何影響行星演化和宜居性，」Nandi說。像太陽軌道飛行器、NASA的太陽探針+（今年發射）和ISRO的Aditya-L1項目（印度在2020年發射的首個探測太陽的空間項目）這樣的未來觀測項目將增進我們在這方面的認識。

「不過，我們真正需要的是擴大我們針對類太陽恆星樣本的觀測內容，記錄它們的長期和短期活動，」Giampapa說。我們還需要一些恆星樣本作為補充。這些恆星在一些關鍵參數上與太陽不同，理論學家需要藉此檢驗他們的太陽磁場形成和演化模型。

這將幫助科學家理解某些物理參數（例如太陽的旋轉速度、對流區深度、太陽的有效溫度及年齡或者演化階段）的重要性。太陽對流層上接光球層（太陽光就從這裡發出），深度大約是20萬公里。「我們需要對太陽對流區的動力學過程以及太陽轉速對這些過程的影響做更多的建模工作，」Hathaway說。「太陽軌道飛行器將揭示位於太陽表面之下的對流層動力學過程的細節信息。」

但哪一個對氣候影響更大，是太陽的動力學過程？還是人類活動引起的氣候變化？「相關的問題還包括太陽的影響究竟是放大、還是減緩了人類造成的影響，」Guinan說。儘管如此，Nandi仍然對太陽11年周期的異常表現已對地球氣候產生顯著影響這個論斷表示懷疑。

氣候物理學家和氣候建模者已經得出結論:

在過去的幾十年里，太陽活動的變化對全球溫度變化的影響遠小於人類活動造成的影響，Nandi說。在深入理解太陽之前，太陽物理學家仍然不能把地球氣候與太陽黑子的缺席或者大量出現完全聯繫在一起。

原文標題：Why has the Sun gone quiet？

作者：Bruce Dorminey

原文來自：Astronomy Posted：2017年12月刊

編譯：京晶