藝術(shù)家筆下的太陽(yáng)
北京時(shí)間2月15日消息,據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道,數(shù)十億年來,每一天清晨太陽(yáng)都照常,照耀大地。太陽(yáng)距離我們有1.5億公里遠(yuǎn),但它仍然如此明亮,以至于我們根本無(wú)法用肉眼直視太陽(yáng)的光輝。在太陽(yáng)表面,溫度超過5500攝氏度,足以熔化金屬,任何探測(cè)器都必須避免過于靠近太陽(yáng),以免遭受破壞。
換句話說,太陽(yáng)幾乎就是一個(gè)溫度高的難以置信,我們根本無(wú)法近身的大火球。但這并不意味著我們沒有辦法對(duì)太陽(yáng)開展研究。
光的秘密
事實(shí)上,我們有很多非常精巧的方法,不僅可以研究太陽(yáng),甚至可以對(duì)夜空中那點(diǎn)點(diǎn)繁星開展研究。到今天,我們已經(jīng)知曉有關(guān)恒星的很多知識(shí),但我們究竟是怎么辦到的?
首先,我們要借助的是光。我們或許不能用肉眼直視太陽(yáng),但科學(xué)儀器可以。正如你可能已經(jīng)知道的那樣,我們所看到的的“白色光”實(shí)際上是由很多單色光混合后的產(chǎn)物,如果我們使用三棱鏡,我們就能把這些單色光分離開,從深紅色一直到紫色,就像一道彩虹。
時(shí)間退回到1802年的英格蘭,一位名叫威廉·海德-武拉斯頓(William Hyde Wollaston)的科學(xué)家正在對(duì)太陽(yáng)光開展這樣的實(shí)驗(yàn)。然后他注意到一個(gè)奇怪的現(xiàn)象:在太陽(yáng)光分離出的單色光譜中,有一些細(xì)細(xì)的黑線。
科學(xué)家們很快便意識(shí)到這些暗線代表的是這一區(qū)域的顏色缺失了。之所以這些顏色會(huì)缺失,是因?yàn)樘?yáng)上或者太陽(yáng)附近的某些元素會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的光。因此鑒定光譜中的這些暗線分布與特征,就能夠?qū)?yīng)鑒定出太陽(yáng)上的元素成分,比如氫、鈉和鈣等等。
這種方法真是聰明、優(yōu)雅而簡(jiǎn)單,它或多或少可以說是一下子將一把開啟恒星研究大門的鑰匙交到了人類的手里。然而,正如英國(guó)牛津大學(xué)的物理學(xué)家菲利普·普德薩多瓦斯基(Philipp Podsiadlowski)所指出的那樣,這種方法存在著天然的局限性。他說:“這種方法只能告訴你太陽(yáng)表面的成分是什么,但你對(duì)于太陽(yáng)的內(nèi)部成分仍然一無(wú)所知?！?/p>
那么太陽(yáng)內(nèi)部的成分究竟是什么?了解這一點(diǎn)或許將有助于我們揭開太陽(yáng)獲得如此巨大能量的來源之謎。
“超級(jí)神岡”探測(cè)器內(nèi)景,這是一個(gè)巨大的地下中微子探測(cè)器
在地下深處研究太陽(yáng)
人類對(duì)于太陽(yáng)為何能夠產(chǎn)生如此強(qiáng)大能量的最初認(rèn)識(shí)大致開始于20世紀(jì)初期,當(dāng)時(shí)核物理學(xué)家們意識(shí)到,如果兩個(gè)氫原子合并形成氦原子,在這一被稱作“核聚變”的過程中將會(huì)釋放出巨大的能量。由于觀測(cè)顯示太陽(yáng)富含氫和氦,似乎在提示科學(xué)家們,它巨大的能量來源或許就與氫原子的核聚變反應(yīng)有關(guān)?？茖W(xué)家們現(xiàn)在急需找到證據(jù)證明這一點(diǎn)。
普德薩多瓦斯基解釋說:“1930年代的人們意識(shí)到,太陽(yáng)可能是由氫原子的核聚變產(chǎn)生能量的,當(dāng)然在當(dāng)時(shí)這還只是一種理論猜想?！?/p>
從這里開始,對(duì)太陽(yáng)的研究變得詭異起來——太陽(yáng)在天空中照耀著大地,哺育萬(wàn)物。而為了了解太陽(yáng),我們需要跑到地底下去。事實(shí)上,我們必須把我們的實(shí)驗(yàn)室整個(gè)都搬到大山的地下。而這正是日本的“超級(jí)神岡”探測(cè)器的設(shè)計(jì)方案。
在地下大約一公里深處,一座樣子怪異,光線昏暗的地下實(shí)驗(yàn)室展露眼前。這里有一個(gè)巨大的容器,其中灌滿超純凈水,容器的四周、頂部和底部都布滿大約13000個(gè)光電倍增器。整個(gè)場(chǎng)景讓人想起科幻小說中的情節(jié),但“超級(jí)神岡”探測(cè)器是真實(shí)存在的,建造它的目的是幫助科學(xué)家們揭開太陽(yáng)運(yùn)作的機(jī)制之謎。
“超級(jí)神岡”探測(cè)器深埋地下,很顯然它不是用來探測(cè)光線的。實(shí)際上,“超級(jí)神岡”的探測(cè)目標(biāo)是一種神秘的粒子,它產(chǎn)生于太陽(yáng)核心,能夠任意穿過物質(zhì)而暢通無(wú)阻,太陽(yáng)、地球或是我們的身體,在它面前都像空氣一樣可以隨意穿過。
這種神秘粒子叫做“中微子”,每一秒鐘都有數(shù)萬(wàn)億個(gè)這樣的粒子穿過我們的身體。如果不借助特殊的探測(cè)設(shè)備,或許我們永遠(yuǎn)都沒辦法探測(cè)到它們的存在。但“超級(jí)神岡”探測(cè)器可以,盡管效率很低——大約每天可以檢測(cè)到40個(gè)中微子信號(hào),它利用的原理是中微子在極偶然的條件下與純水分子發(fā)生碰撞時(shí)產(chǎn)生的熒光效應(yīng)。
這樣的熒光信號(hào)極其微弱,但它會(huì)在中微子周圍產(chǎn)生某種“光暈”,而這種光暈可以被遍布容器四周,極敏感的光探測(cè)器捕捉到。
通過這種方法檢測(cè)到來自太陽(yáng)核心的特定種類中微子信號(hào),為科學(xué)家們提供了確鑿的證據(jù),證明氫核聚變反應(yīng)的確正在太陽(yáng)內(nèi)部發(fā)生。除此之外,我們沒有任何其他途徑能夠解釋我們所獲得的探測(cè)數(shù)據(jù)。
普德薩多瓦斯基說:“你只能檢測(cè)到極小一部分的中微子,但你卻能夠根據(jù)檢測(cè)到信號(hào)的數(shù)量估算出這一時(shí)段內(nèi)中微子的實(shí)際通量。”
更令人驚奇的是,這些中微子是在太陽(yáng)核心進(jìn)行的氫核聚變反應(yīng)中產(chǎn)生的,但是,僅僅8分鐘之后“超級(jí)神岡”探測(cè)器便探測(cè)到了它們穿過的信號(hào)。這也就意味著,如果能夠?qū)@些中微子進(jìn)行研究,我們幾乎就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)核心情況的“實(shí)時(shí)監(jiān)控”。
如果你感覺這還不夠,那么實(shí)際上科學(xué)家們甚至還還能利用這種弄方法實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的成像。理論上來說,未來科學(xué)家們可以利用這種方法,借助在地下獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)內(nèi)部的成像。
恒星發(fā)光的奧秘在于其內(nèi)部進(jìn)行的核聚變反應(yīng)
恒星:巨大的核聚變反應(yīng)堆
然而為了更好的理解太陽(yáng)內(nèi)部核聚變反應(yīng)的相關(guān)細(xì)節(jié),仍然需要在地球上對(duì)核聚變過程開展相關(guān)研究。從理論上說這并不困難:前不久,一名年僅13歲的英國(guó)小男孩就在家里成功實(shí)現(xiàn)了核聚變反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。但如果你想要不受干擾的對(duì)這種反應(yīng)過程進(jìn)行詳細(xì)觀察,那么你還是必須得搬到地下的實(shí)驗(yàn)室里才能進(jìn)行。
而這正是英國(guó)愛丁堡大學(xué)的核物理學(xué)家瑪利亞路易斯·阿里奧托(Marialuisa Aliotta)正在從事的工作。阿里奧托解釋說,關(guān)于核聚變所面臨的重大困難之一便是如何讓兩個(gè)原子“同意”合并——原子發(fā)生合并從而產(chǎn)生核聚變反應(yīng)的幾率是非常非常低的。
不過,太陽(yáng)內(nèi)部的環(huán)境對(duì)于核聚變的發(fā)生有著兩大重要的是有利條件,能夠大大提升核聚變發(fā)生的可能性。首先太陽(yáng)質(zhì)量巨大,有著巨量的原子,并且同樣是因?yàn)樘?yáng) 的質(zhì)量巨大,它能夠產(chǎn)生足夠強(qiáng)大的引力,將位于太陽(yáng)核心位置的氫原子進(jìn)行擠壓,使其所有原子核相互之間的距離被大大壓縮,這讓核聚變的發(fā)生幾率大大升高。
阿里奧托指出:“在一顆類似太陽(yáng)這樣的恒星內(nèi)部,經(jīng)由核聚變產(chǎn)生巨大能量的幾率是非常高的,原因很簡(jiǎn)單,就是它質(zhì)量大,其內(nèi)部的質(zhì)子數(shù)量非常多。在實(shí)驗(yàn)室里我們可沒有那么多的質(zhì)子數(shù)目,因此就非常難以對(duì)核聚變反應(yīng)過程進(jìn)行研究?！?/p>
不過,阿里奧托仍然能夠利用一些大型地下實(shí)驗(yàn)設(shè)施開展對(duì)核聚變的觀察研究,比如位于意大利的“地下核天體物理實(shí)驗(yàn)室”(LUNA)。她們開展的工作讓阿里奧托和同事們能夠了解當(dāng)核聚變發(fā)生時(shí)的有關(guān)情況——這一過程中產(chǎn)生了什么物質(zhì)?各種粒子之間是如何相互反應(yīng)的?諸如此類。
太陽(yáng)表面的黑子現(xiàn)象
黑子、亮斑和耀斑
很多人會(huì)想當(dāng)然的將太陽(yáng)視作一座永久性的太空燈塔,永遠(yuǎn)產(chǎn)生相同亮度的光度。然而事實(shí)并非如此。其實(shí),就如萬(wàn)事萬(wàn)物一樣,恒星也有著自己的生命周期,各階段的長(zhǎng)短時(shí)間主要取決于它的質(zhì)量大小極其內(nèi)部的元素成分。
近幾年來,通過對(duì)一些現(xiàn)象細(xì)節(jié)的研究,我們對(duì)于太陽(yáng)如何發(fā)生改變已經(jīng)有了相當(dāng)程度的了解。這些現(xiàn)象的其中之一便是太陽(yáng)黑子,這是太陽(yáng)光球表面出現(xiàn)的暫時(shí)性暗斑。觀測(cè)記錄已經(jīng)讓我們了解了太陽(yáng)在多年期間,其在不同波段,如可見光波段所產(chǎn)生的輻射總量的變化情況。
在1980年代,美國(guó)“太陽(yáng)極大年使者探測(cè)器”(Solar Maximum Mission)項(xiàng)目的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),在大約10年 的時(shí)間里,太陽(yáng)的產(chǎn)能效率會(huì)出現(xiàn)一次起伏:下降,然后再回升。更加令人驚訝的是在此期間太陽(yáng)黑子數(shù)量的變化與這一變化趨勢(shì)是完全同步的。太陽(yáng)黑子數(shù)量越 多,太陽(yáng)釋放出的能量也越多。因?yàn)槲覀冎捞?yáng)黑子是太陽(yáng)表面上相對(duì)看上去較暗的區(qū)域,它的溫度低于周圍,因此這樣的結(jié)果多多少少有些出乎科學(xué)家們的預(yù) 料。
英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院的西蒙·福斯特(Simon Foster)表示:“這完全反過來了。這非常古怪,你的表面暗斑越多,溫度較低的區(qū)域越多,但太陽(yáng)卻變得更熱了!”
但科學(xué)家們最終還是弄清了事情的原委。在太陽(yáng)表面存在著一些特殊的明亮區(qū)域,即所謂“光斑”(faculae),它們的數(shù)量變化趨勢(shì)與黑子的數(shù)量變化趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)——當(dāng)黑子數(shù)量越多,光斑的數(shù)量也會(huì)相應(yīng)增加,而它們會(huì)釋放更多的能量,從而造成太陽(yáng)整體釋放能量的增加。
除了黑子之外,科學(xué)家們還會(huì)對(duì)另外一種名為“耀斑”的現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè),這是從太陽(yáng)表面出現(xiàn)的一種突發(fā)現(xiàn)象,會(huì)導(dǎo)致大量物質(zhì)從太陽(yáng)表面向外噴射,形成劇烈爆發(fā)。
恒星常常是活躍的,有時(shí)候甚至的狂暴的
宇宙燈塔
由于恒星會(huì)在各個(gè)電磁波段釋放輻射,一般科學(xué)家們會(huì)在X射線波段對(duì)耀斑進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但當(dāng)然還有其他手段,其中之一便是監(jiān)聽來自太陽(yáng)的無(wú)線電波信號(hào)——這本身也是一個(gè)電磁波段。
曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家蒂姆·奧-布萊恩(Tim O'Brien)指出,設(shè)在英格蘭口徑巨大的焦德班克射電望遠(yuǎn)鏡是世界上首個(gè)建成的類似設(shè)備,利用這臺(tái)設(shè)備同樣可以開展太陽(yáng)耀斑現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)。
事實(shí)上,射電望遠(yuǎn)鏡非常適用于捕捉恒星在各個(gè)生命周期階段所釋放的各種信號(hào)線索。當(dāng)一顆恒星行為“正常”,沒有過多的活動(dòng),那么此時(shí)它產(chǎn)生的無(wú)線電波信號(hào)應(yīng)該是相當(dāng)微弱的。然而在恒星誕生或即將死亡的時(shí)刻,都會(huì)釋放出極為強(qiáng)烈的無(wú)線電波信號(hào)。
奧-布萊恩表示:“我們所看到的都是活躍事件。我們目睹恒星的爆發(fā)、沖擊波和恒星風(fēng)?！?/p>
射電望遠(yuǎn)鏡還曾經(jīng)幫助北愛爾蘭科學(xué)家喬斯琳·貝爾(Jocelyn Bell)發(fā)現(xiàn)了她的“小綠人”——也就是后來被證實(shí)的特殊天體脈沖星,這是一種特殊的中子星。
大質(zhì)量恒星在超新星爆發(fā)現(xiàn)象中宣告死亡,它死亡后留下的致密內(nèi)核殘骸就是中子星。而脈沖星是從兩極地區(qū)發(fā)射出兩束強(qiáng)烈電磁輻射波束的中子星,當(dāng)這樣的定向波束恰好掃過地球方向時(shí),它的電磁信號(hào)就能夠被射電望遠(yuǎn)鏡捕捉到。
這樣的脈沖信號(hào)極具規(guī)律性,頻率精度誤差不超過幾個(gè)毫秒,以至于一開始接收到這樣的信號(hào)時(shí),很多科學(xué)家都猜想這是否有可能是外星智慧生命給地球發(fā)出的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。
但隨著更多脈沖星案例的發(fā)現(xiàn),目前天文學(xué)界已經(jīng)基本達(dá)成共識(shí),認(rèn)為這類極為精準(zhǔn)的脈沖信號(hào)是由于中子星的快速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的。
奧-布萊恩解釋道:“那些中子星會(huì)圍繞自己的自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn),由于噴流方向與自轉(zhuǎn)軸方向并不重合,因此中子星釋放的電磁脈沖束流也就會(huì)隨之周期性的掃過天空。如果恰好你的觀測(cè)視線正對(duì)著這一脈沖波束方向,那么你就能記錄到一個(gè)周期性極好的脈沖信號(hào),就像宇宙中閃爍的燈塔?！?/p>
藝術(shù)示意圖:一顆白矮星和它周圍的吸積盤。太陽(yáng)在數(shù)十億年后將成為一顆這樣的白矮星,這是它生命終結(jié)之后留下的殘骸
太陽(yáng)的命運(yùn)
一些恒星在死亡后注定會(huì)變成脈沖星。但我們的太陽(yáng)幾乎100%不可能會(huì)是這樣的命運(yùn),原因很簡(jiǎn)單:太陽(yáng)的質(zhì)量太小了。由于質(zhì)量過小,太陽(yáng)在死亡時(shí)無(wú)法產(chǎn)生超新星爆發(fā)那樣的劇烈爆炸現(xiàn)象。那么太陽(yáng)在數(shù)十億年后的命運(yùn)究竟將如何演變?
通過對(duì)銀河系內(nèi)其他恒星的觀測(cè),我們了解到恒星的死亡方式有多種。然而考慮到我們對(duì)太陽(yáng)質(zhì)量大小的了解,并將這一數(shù)值與其他恒星案例進(jìn)行對(duì)比,我們現(xiàn)在可以相當(dāng)有把握地推定太陽(yáng)未來的命運(yùn)走向。
天文學(xué)家們非常確信,再過大約50億年,當(dāng)臨近生命的終點(diǎn)前,太陽(yáng)將會(huì)逐漸膨脹成為一顆紅巨星。此時(shí)太陽(yáng)表面釋放的輻射強(qiáng)度將會(huì)減弱,因?yàn)榇藭r(shí)太陽(yáng)內(nèi)部的氫核聚變“燃料”幾乎已經(jīng)耗盡了。因此,此時(shí)“稍稍減弱”之后太陽(yáng)光線的頻率就會(huì)降低,波長(zhǎng)變長(zhǎng),整個(gè)太陽(yáng)看上去偏紅,因此被稱為“紅巨星”。
隨后,隨著一系列的爆炸,太陽(yáng)將逐漸失去它絕大部分物質(zhì),只留下一個(gè)碳核,幾乎就是一個(gè)地球那么大的巨大鉆石。在接下來的數(shù)萬(wàn)億年里,這顆白矮星將逐漸冷卻,消失在視野之中。
但關(guān)于太陽(yáng)我們?nèi)匀挥性S多問題沒有搞清楚,而為了搞清楚這些問題,當(dāng)前科學(xué)家們也正在規(guī)劃多項(xiàng)令人興奮的太陽(yáng)探測(cè)計(jì)劃。
其中的計(jì)劃之一名為“太陽(yáng)探測(cè)器+”(Solar Probe Plus),該探測(cè)器計(jì)劃史無(wú)前例地接近太陽(yáng),從而能夠?qū)μ?yáng)風(fēng)開展進(jìn)一步研究,并試圖弄清為何太陽(yáng)最外側(cè)的大氣——日冕的溫度反而要比內(nèi)層大氣的溫度更高的原因。
但不管如何,今天的我們已經(jīng)能夠回答關(guān)于太陽(yáng)的一系列重要問題。通過將太陽(yáng)光線分解為單色光譜,通過在地下實(shí)驗(yàn)室中捕捉來自太陽(yáng)核心的中微子,我們已經(jīng)在通往揭開太陽(yáng)謎團(tuán)的道路上走出很遠(yuǎn)的距離。
我們也已經(jīng)弄清楚了恒星的物質(zhì)組成,它們產(chǎn)生能量的機(jī)制,并意識(shí)到恒星在其生命周期內(nèi)產(chǎn)生的各種元素如何塑造了地球上豐富多彩的生命。
此時(shí)此刻,我的耳畔回響起小時(shí)候的那首19世紀(jì)的童謠:“Twinkle, twinkle, little star,how I wonder what you are.”(一閃一閃小星星,我想知道你是什么。)200多年后的今天,我們終于可以感到欣慰:對(duì)于這個(gè)問題,我們已經(jīng)找到了答案。(晨風(fēng))
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