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要了解太阳,我们需要跑到地底下去......

宇宙奥秘mp
2017-02-17
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艺术家笔下的太阳

数十亿年来,每一天清晨太阳都照常,照耀大地。太阳距离我们有1.5亿公里远,但它仍然如此明亮,以至于我们根本无法用肉眼直视太阳的光辉。在太阳表面,温度超过5500摄氏度,足以熔化金属,任何探测器都必须避免过于靠近太阳,以免遭受破坏。

换句话说,太阳几乎就是一个温度高的难以置信,我们根本无法近身的大火球。但这并不意味着我们没有办法对太阳开展研究。

光的秘密

事实上,我们有很多非常精巧的方法,不仅可以研究太阳,甚至可以对夜空中那点点繁星开展研究。到今天,我们已经知晓有关恒星的很多知识,但我们究竟是怎么办到的?

首先,我们要借助的是光。我们或许不能用肉眼直视太阳,但科学仪器可以。正如你可能已经知道的那样,我们所看到的的“白色光”实际上是由很多单色光混合后的产物,如果我们使用三棱镜,我们就能把这些单色光分离开,从深红色一直到紫色,就像一道彩虹。

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时间退回到1802年的英格兰,一位名叫威廉·海德-武拉斯顿(William-Hyde-Wollaston)的科学家正在对太阳光开展这样的实验。然后他注意到一个奇怪的现象:在太阳光分离出的单色光谱中,有一些细细的黑线。

科学家们很快便意识到这些暗线代表的是这一区域的颜色缺失了。之所以这些颜色会缺失,是因为太阳上或者太阳附近的某些元素会吸收特定波长的光。因此鉴定光谱中的这些暗线分布与特征,就能够对应鉴定出太阳上的元素成分,比如氢、钠和钙等等。

这种方法真是聪明、优雅而简单,它或多或少可以说是一下子将一把开启恒星研究大门的钥匙交到了人类的手里。然而,正如英国牛津大学的物理学家菲利普·普德萨多瓦斯基(Philipp-Podsiadlowski)所指出的那样,这种方法存在着天然的局限性。他说:“这种方法只能告诉你太阳表面的成分是什么,但你对于太阳的内部成分仍然一无所知。”

那么太阳内部的成分究竟是什么?了解这一点或许将有助于我们揭开太阳获得如此巨大能量的来源之谜。

“超级神冈”探测器内景,这是一个巨大的地下中微子探测器

在地下深处研究太阳

人类对于太阳为何能够产生如此强大能量的最初认识大致开始于20世纪初期,当时核物理学家们意识到,如果两个氢原子合并形成氦原子,在这一被称作“核聚变”的过程中将会释放出巨大的能量。由于观测显示太阳富含氢和氦,似乎在提示科学家们,它巨大的能量来源或许就与氢原子的核聚变反应有关。科学家们现在急需找到证据证明这一点。

普德萨多瓦斯基解释说:“1930年代的人们意识到,太阳可能是由氢原子的核聚变产生能量的,当然在当时这还只是一种理论猜想。”

从这里开始,对太阳的研究变得诡异起来——太阳在天空中照耀着大地,哺育万物。而为了了解太阳,我们需要跑到地底下去。事实上,我们必须把我们的实验室整个都搬到大山的地下。而这正是日本的“超级神冈”探测器的设计方案。

在地下大约一公里深处,一座样子怪异,光线昏暗的地下实验室展露眼前。这里有一个巨大的容器,其中灌满超纯净水,容器的四周、顶部和底部都布满大约13000个光电倍增器。整个场景让人想起科幻小说中的情节,但“超级神冈”探测器是真实存在的,建造它的目的是帮助科学家们揭开太阳运作的机制之谜。

恒星发光的奥秘在于其内部进行的核聚变反应

“超级神冈”探测器深埋地下,很显然它不是用来探测光线的。实际上,“超级神冈”的探测目标是一种神秘的粒子,它产生于太阳核心,能够任意穿过物质而畅通无阻,太阳、地球或是我们的身体,在它面前都像空气一样可以随意穿过。

这种神秘粒子叫做“中微子”,每一秒钟都有数万亿个这样的粒子穿过我们的身体。如果不借助特殊的探测设备,或许我们永远都没办法探测到它们的存在。但“超级神冈”探测器可以,尽管效率很低——大约每天可以检测到40个中微子信号,它利用的原理是中微子在极偶然的条件下与纯水分子发生碰撞时产生的荧光效应。

这样的荧光信号极其微弱,但它会在中微子周围产生某种“光晕”,而这种光晕可以被遍布容器四周,极敏感的光探测器捕捉到。

通过这种方法检测到来自太阳核心的特定种类中微子信号,为科学家们提供了确凿的证据,证明氢核聚变反应的确正在太阳内部发生。除此之外,我们没有任何其他途径能够解释我们所获得的探测数据。

普德萨多瓦斯基说:“你只能检测到极小一部分的中微子,但你却能够根据检测到信号的数量估算出这一时段内中微子的实际通量。”

更令人惊奇的是,这些中微子是在太阳核心进行的氢核聚变反应中产生的,但是,仅仅8分钟之后“超级神冈”探测器便探测到了它们穿过的信号。这也就意味着,如果能够对这些中微子进行研究,我们几乎就可以实现对太阳核心情况的“实时监控”。

如果你感觉这还不够,那么实际上科学家们甚至还还能利用这种弄方法实现对太阳的成像。理论上来说,未来科学家们可以利用这种方法,借助在地下获取的监测数据,实现对太阳内部的成像。

太阳表面的黑子现象

恒星:巨大的核聚变反应堆

然而为了更好的理解太阳内部核聚变反应的相关细节,仍然需要在地球上对核聚变过程开展相关研究。从理论上说这并不困难:前不久,一名年仅13岁的英国小男孩就在家里成功实现了核聚变反应的实验。但如果你想要不受干扰的对这种反应过程进行详细观察,那么你还是必须得搬到地下的实验室里才能进行。

而这正是英国爱丁堡大学的核物理学家玛利亚路易斯·阿里奥托(Marialuisa-Aliotta)正在从事的工作。阿里奥托解释说,关于核聚变所面临的重大困难之一便是如何让两个原子“同意”合并——原子发生合并从而产生核聚变反应的几率是非常非常低的。

不过,太阳内部的环境对于核聚变的发生有着两大重要的是有利条件,能够大大提升核聚变发生的可能性。首先太阳质量巨大,有着巨量的原子并且同样是因为太阳的质量巨大,它能够产生足够强大的引力,将位于太阳核心位置的氢原子进行挤压,使其所有原子核相互之间的距离被大大压缩,这让核聚变的发生几率大大升高。

阿里奥托指出:“在一颗类似太阳这样的恒星内部,经由核聚变产生巨大能量的几率是非常高的,原因很简单,就是它质量大,其内部的质子数量非常多。在实验室里我们可没有那么多的质子数目,因此就非常难以对核聚变反应过程进行研究。”

不过,阿里奥托仍然能够利用一些大型地下实验设施开展对核聚变的观察研究,比如位于意大利的“地下核天体物理实验室”(LUNA)。她们开展的工作让阿里奥托和同事们能够了解当核聚变发生时的有关情况——这一过程中产生了什么物质?各种粒子之间是如何相互反应的?诸如此类。

恒星常常是活跃的,有时候甚至的狂暴的

黑子、亮斑和耀斑

很多人会想当然的将太阳视作一座永久性的太空灯塔,永远产生相同亮度的光度。然而事实并非如此。其实,就如万事万物一样,恒星也有着自己的生命周期,各阶段的长短时间主要取决于它的质量大小极其内部的元素成分。

近几年来,通过对一些现象细节的研究,我们对于太阳如何发生改变已经有了相当程度的了解。这些现象的其中之一便是太阳黑子,这是太阳光球表面出现的暂时性暗斑。观测记录已经让我们了解了太阳在多年期间,其在不同波段,如可见光波段所产生的辐射总量的变化情况。

在1980年代,美国“太阳极大年使者探测器”(Solar-Maximum-Mission)项目的科学家们发现,在大约10年 的时间里,太阳的产能效率会出现一次起伏:下降,然后再回升。

更加令人惊讶的是在此期间太阳黑子数量的变化与这一变化趋势是完全同步的。太阳黑子数量越多,太阳释放出的能量也越多。因为我们知道太阳黑子是太阳表面上相对看上去较暗的区域,它的温度低于周围,因此这样的结果多多少少有些出乎科学家们的预料。

艺术示意图:一颗白矮星和它周围的吸积盘。太阳在数十亿年后将成为一颗这样的白矮星,这是它生命终结之后留下的残骸

英国伦敦帝国学院的西蒙·福斯特(Simon-Foster)表示:“这完全反过来了。这非常古怪,你的表面暗斑越多,温度较低的区域越多,但太阳却变得更热了!”

但科学家们最终还是弄清了事情的原委。在太阳表面存在着一些特殊的明亮区域,即所谓“光斑”(faculae),它们的数量变化趋势与黑子的数量变化趋势相对应——当黑子数量越多,光斑的数量也会相应增加,而它们会释放更多的能量,从而造成太阳整体释放能量的增加。

除了黑子之外,科学家们还会对另外一种名为“耀斑”的现象进行监测,这是从太阳表面出现的一种突发现象,会导致大量物质从太阳表面向外喷射,形成剧烈爆发。

宇宙灯塔

由于恒星会在各个电磁波段释放辐射,一般科学家们会在X射线波段对耀斑进行监测。但当然还有其他手段,其中之一便是监听来自太阳的无线电波信号——这本身也是一个电磁波段。

曼彻斯特大学的物理学家蒂姆·奥-布莱恩(Tim-O'Brien)指出,设在英格兰口径巨大的焦德班克射电望远镜是世界上首个建成的类似设备,利用这台设备同样可以开展太阳耀斑现象的监测。

事实上,射电望远镜非常适用于捕捉恒星在各个生命周期阶段所释放的各种信号线索。当一颗恒星行为“正常”,没有过多的活动,那么此时它产生的无线电波信号应该是相当微弱的。然而在恒星诞生或即将死亡的时刻,都会释放出极为强烈的无线电波信号。

奥-布莱恩表示:“我们所看到的都是活跃事件。我们目睹恒星的爆发、冲击波和恒星风。”

射电望远镜还曾经帮助北爱尔兰科学家乔斯琳·贝尔(Jocelyn-Bell)发现了她的“小绿人”——也就是后来被证实的特殊天体脉冲星,这是一种特殊的中子星。

大质量恒星在超新星爆发现象中宣告死亡,它死亡后留下的致密内核残骸就是中子星。而脉冲星是从两极地区发射出两束强烈电磁辐射波束的中子星,当这样的定向波束恰好扫过地球方向时,它的电磁信号就能够被射电望远镜捕捉到。

这样的脉冲信号极具规律性,频率精度误差不超过几个毫秒,以至于一开始接收到这样的信号时,很多科学家都猜想这是否有可能是外星智慧生命给地球发出的联络信号。

但随着更多脉冲星案例的发现,目前天文学界已经基本达成共识,认为这类极为精准的脉冲信号是由于中子星的快速旋转产生的。

奥-布莱恩解释道:“那些中子星会围绕自己的自转轴高速旋转,由于喷流方向与自转轴方向并不重合,因此中子星释放的电磁脉冲束流也就会随之周期性的扫过天空。如果恰好你的观测视线正对着这一脉冲波束方向,那么你就能记录到一个周期性极好的脉冲信号,就像宇宙中闪烁的灯塔。”

太阳的命运

一些恒星在死亡后注定会变成脉冲星。但我们的太阳几乎100%不可能会是这样的命运,原因很简单:太阳的质量太小了。由于质量过小,太阳在死亡时无法产生超新星爆发那样的剧烈爆炸现象。那么太阳在数十亿年后的命运究竟将如何演变?

通过对银河系内其他恒星的观测,我们了解到恒星的死亡方式有多种。然而考虑到我们对太阳质量大小的了解,并将这一数值与其他恒星案例进行对比,我们现在可以相当有把握地推定太阳未来的命运走向。

天文学家们非常确信,再过大约50亿年,当临近生命的终点前,太阳将会逐渐膨胀成为一颗红巨星。此时太阳表面释放的辐射强度将会减弱,因为此时太阳内部的氢核聚变“燃料”几乎已经耗尽了。因此,此时“稍稍减弱”之后太阳光线的频率就会降低,波长变长,整个太阳看上去偏红,因此被称为“红巨星”。

随后,随着一系列的爆炸,太阳将逐渐失去它绝大部分物质,只留下一个碳核,几乎就是一个地球那么大的巨大钻石。在接下来的数万亿年里,这颗白矮星将逐渐冷却,消失在视野之中。

但关于太阳我们仍然有许多问题没有搞清楚,而为了搞清楚这些问题,当前科学家们也正在规划多项令人兴奋的太阳探测计划。

其中的计划之一名为“太阳探测器+”(Solar-Probe-Plus),该探测器计划史无前例地接近太阳,从而能够对太阳风开展进一步研究,并试图弄清为何太阳最外侧的大气——日冕的温度反而要比内层大气的温度更高的原因。

但不管如何,今天的我们已经能够回答关于太阳的一系列重要问题。通过将太阳光线分解为单色光谱,通过在地下实验室中捕捉来自太阳核心的中微子,我们已经在通往揭开太阳谜团的道路上走出很远的距离。

我们也已经弄清楚了恒星的物质组成,它们产生能量的机制,并意识到恒星在其生命周期内产生的各种元素如何塑造了地球上丰富多彩的生命。

此时此刻,我的耳畔回响起小时候的那首19世纪的童谣:“Twinkle, twinkle, little star,how-I-wonder-what-you-are.”(一闪一闪小星星,我想知道你是什么。)200多年后的今天,我们终于可以感到欣慰:对于这个问题,我们已经找到了答案.

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