太阳的故事——太阳的脉搏（上）

来源：现代物理知识杂志

卢昌海

为了回答上一篇末尾的问题，即“有没有什么手段，能像太阳中微子带给我们核心区的信息那样，带给我们有关对流区深处及辐射区的信息呢？”让我们把时钟拨到1960年。那一年，在意大利科摩湖畔的一座美丽小镇召开了一次天文学会议。在会上，来自美国威尔逊山天文台的天文学家莱顿作了一个学术报告。

这位莱顿，学物理的读者可能有点印象，他曾与同事一起，用两年时间，将著名美国物理学家费曼的讲课录音整理成风行全球的《费曼物理学讲义》。在1960年的那次报告中，他介绍了自己对太阳大气层中气流运动的观测研究。

这不是一项轻而易举的研究。我们知道，在地球大气层中如果要观测气流运动，最简单的办法就是放置风速风向仪，但这招显然无法用于太阳。那么，太阳大气层中的气流运动该如何观测呢？科学家们想到了一种物理效应：多普勒效应。该效应的一个让人耳朵听出老茧来的例子，是火车交汇时对方火车的汽笛声由迎面而来时的尖锐，变成交错而过后的低缓。用物理学家们的术语来说，多普勒效应显示的是波源与观测者的相对运动对波长和频率的影响，它既适用于声波，也适用于光波，只不过后者的波速实在太快，使我们无法用感官直接体验。但科学家们可以用仪器来延伸自己的感官，从而可以观测光波的多普勒效应，并以此推算出光源相对于我们的运动速度。

观测光波多普勒效应的最典型做法，是对光波的光谱进行精密观测。我们以前介绍过，每种元素都有自己独特的光谱，就像每个人都有独特的指纹一样。而所谓独特的光谱，说白了就是独特的谱线波长和频率。因为有这种独特性，当谱线的波长和频率因多普勒效应而发生偏移时，我们就能明确无误地察觉出偏移，并依据偏移大小推算出光源的运动速度，这正是莱顿所用的基本方法。

通过这种方法，莱顿发现了什么呢？他发现太阳这个庞然大物在颤抖，而且是有规律地颤抖！确切地说，他发现太阳大气层中的气流运动不是完全无序的，而是存在一种周期约为五分钟的振荡，这种振荡被称为“五分钟振荡”。

这一发现在太阳研究中具有里程碑式的意义，虽然其真正价值直到十几年后才被发掘出来，但它当场就给与会者中的一位带来了巨大震动。此人名叫埃文斯，是萨克拉门托峰天文台的台长。莱顿的报告之所以给他带来巨大震动，是因为他研究的恰好也是太阳大气层中的气流运动。为什么莱顿发现了新东西而他却没有呢？因为他的研究重点是气流运动的空间分布，而非时间变化。平心而论，他对研究重点的这一选择并非毫无道理，因为如我们在上一篇中所说，太阳上的气流运动是所谓的湍流型对流，这种运动的时间变化被认为是无序的，空间分布则因为有“米粒”之类的结构，以及物质密度的逐层递变，而不无探索余地。因此，埃文斯的研究重点可以说是很自然的选择。遗憾的是，科学发现有时偏偏是出人意料的，“五分钟振荡”对埃文斯来说就是如此。他对研究重点的自然选择恰恰使他与该领域最重大的发现失之交臂。

但遗憾归遗憾，成熟的研究者是不会因遗憾而消沉的。“五分钟振荡”虽已被发现，进一步的观测仍是必不可少的。更重要的是，这一现象的产生机制还是一个空白，而且在这点上，莱顿本人表示了一定程度的悲观，他认为对“五分钟振荡”做出精确计算似乎是毫无希望的。这一切对于其他研究者来说无疑都是机会。

回到萨克拉门托峰天文台后，埃文斯立刻对“五分钟振荡”展开了研究。第二年，莱顿与埃文斯又在学术会议中相遇了。这一回，埃文斯也作了有关“五分钟振荡”的报告。在报告中，他不仅证实了莱顿的观测，还利用自己在以前那些与“五分钟振荡”失之交臂的研究中发展起来的“独门绝活”，对莱顿的观测做出了重要补充。他的“独门绝活”是什么呢？是同时研究几条不同谱线的多普勒效应。这种“独门绝活”有什么用呢？用处就在于能研究太阳大气层中不同高度处的气流运动。这是因为不同高度处的元素分布存在一定差异，而谱线是由元素产生的，因此不同谱线所对应的是不同高度处的气流运动。通过对这种不同高度处的气流运动的观测，埃文斯对“五分钟振荡”在太阳大气层中的空间传播进行了粗略研究，并提出了一种“五分钟振荡”的产生机制。

埃文斯认为，“五分钟振荡”是一种由太阳表面的“米粒”所激发的大气层现象。具体地说，他认为“米粒”的上升犹如推动气体的巨型活塞，而“五分钟振荡”则是“活塞”运动在太阳大气层中激发出的声波。这一机制听起来不无道理。因为“五分钟振荡”是在观测太阳大气层中的气流运动时发现的，而“米粒”，如我们在上一篇中所说，则是在太阳大气层底部的光球层中被发现的，而且是光球层中分布最广的结构。这两者同属太阳大气层，将它们联系起来，并在太阳大气层的范围之内解决问题无疑是很自然的思路。这种很自然的思路在将近十年的时间里吸引了多数研究者的目光。

不过，埃文斯的机制要想行得通，还必须解决一个关键性的问题，那就是被“活塞”激发出的声波为什么偏偏要青睐“五分钟”这一振荡周期呢？这个问题成为了很多研究者的努力方向。

在介绍那些努力之前，我们要先对太阳大气层的结构作一个简单介绍。如上所述，太阳大气层的最底部，是“米粒”们赖以存身的光球层。我们肉眼所见的阳光大都来自该层，以前介绍过的太阳表面温度（约5800K）也是指该层的有效温度。该层的厚度在几十到几百千米左右，物质密度约为海平面附近地球大气密度的万分之一。在光球层之上，是所谓的温度最低层，该层的有效温度约为4100K，厚度约为500千米。再往上，则是厚度约2000千米的色球层。该层自内向外密度递减几百万倍，温度却不降反增，上层温度可达20000K左右。色球层再往上，还有所谓的过渡区和日冕等。

现在回到埃文斯机制所面临的那个关键问题上来。很明显，太阳表面环境的恶劣性，使得无论什么机制产生的声波都必然是紊乱的，而不可能只有一个固定周期。那么，究竟是什么原因使得“五分钟”这一周期脱颖而出呢？科学家们想到了乐器中的谐振腔。在乐器中，谐振腔的作用是使特定周期的声波得到加强，其余则被抑制。科学家们想到，如果太阳大气层也有类似功能，岂不就有可能解释“五分钟振荡”了吗？

这是一个很漂亮的想法。不过科学离不开细节，光有想法是不够的，还必须有计算。为了进行计算，我们必须知道太阳大气层是如何构成谐振腔的？我们知道，谐振腔之所以能加强特定周期的声波，抑制其余，是因为声波经腔壁反射后与腔内声波发生干涉之故。因此，要想知道太阳大气层如何构成谐振腔，关键在于找到腔壁。对此，科学家们提出了各种假设。

比如有一种假设认为，腔壁位于温度最低层的上下两侧。为什么呢？因为气体中的声波波速会随温度升高而增大，这意味着在温度最低层的上下两侧，声波波速都会增大（因为温度升高）。另一方面，当声波从波速小的区域进入波速大的区域时，会因折射而往水平方向偏折。将这两点联系起来，就有可能出现这样一种情形，即在温度最低层附近的区域里，声波无论向上还是向下传播，都会往水平方向偏折，直至被反射回来为止。这种情形一旦成真，那两个使声波反射回来的界面无疑就构成了谐振腔的腔壁。

类似的假设还有若干种，我们就不一一列举了。可以告诉大家的是，所有这些在太阳大气层里做文章的假设在经过具体计算后，全都遭遇了滑铁卢。埃文斯是一位努力的研究者，但看来不是一员福将，他对研究重点的“自然选择”使他与“五分钟振荡”的发现失之交臂，他对产生机制的“自然选择”则将一系列努力引向了困难。这其中一个典型的困难是因为太阳大气层内的谐振腔全都是薄层，声波要想被那样的薄层所禁锢，其传播方向必须很接近水平(否则的话，虽然能被偏折，却无法偏折到被反射的程度)。而观测却发现，“五分钟振荡”的传播方向有很大的垂直分量。另一方面，即便声波的传播方向真的很接近水平，那些假设也还是玩不转，因为计算出的周期不对头，无法集中在五分钟附近。此外，有些假设给出的“五分钟振荡”的寿命也不对，只有几分钟，而实际观测到的“五分钟振荡”往往可以持续数小时、数天、乃至数月。至于埃文斯把“米粒”视为“五分钟振荡”的起因，其正确与否倒显得不那么重要，因为在太阳那样的恶劣环境下，有许多因素可以产生声波，起因不是关键。

所有假设都碰了壁，莫非应了莱顿的“乌鸦嘴”，对“五分钟振荡”做出精确计算是毫无希望的？（未完待续）

本文选自《现代物理知识》2011年第5期   时光摘编