太阳的故事——太阳的脉搏（下）

来源：现代物理知识杂志

没有人知道答案。但任何谜团对科学家来说都是召唤，是不断攀登的动力。山峰越高，顶上的风景或许就越别致。1970年，一位新的攀登者——加州大学洛杉矶分校的一位助理教授——提出了一种“五分钟振荡”的新机制。这位助理教授名叫乌尔里克，本科学的是化学，后来转向天文， 1968年刚刚获得博士学位。这位“新科博士”的过人之处是一举摆脱了在太阳大气层中做文章的“陋习”。对乌尔里克来说，“五分钟振荡”在太阳大气层中被发现，并不意味着它一定就是单纯的大气层现象。理由很简单，太阳物质在大气层以下是不透明的，因此普通光学手段注定只能发现大气层中的运动，这只是观测手段的局限性，并不说明现象本身的范围。这就好比用肉眼只能看到水面以上的冰山，并不说明冰山只存在于水面以上。

事实上，在乌尔里克之前，美国基特峰国家天文台的天文学家弗雷泽就已经发现了“五分钟振荡”存在于太阳深处的迹象。因为他发现太阳的亮度会因“五分钟振荡”而发生细微变化。由于太阳的亮度取决于能量，而后者来自太阳内部，单纯的大气层振荡是无法对其产生可观影响的，因此亮度变化说明“五分钟振荡”与太阳内部物质的运动也有关系。弗雷泽的这一观测发现给了乌尔里克很大的启示，使他将注意力投向了太阳内部。

乌尔里克将注意力投向太阳内部，除受弗雷泽的影响外，与他自己的学术背景也不无关系，因为他博士论文所研究的就是太阳内部的对流层。方向有了，接下来还得看细节。乌尔里克知道，那些被观测否决掉的大气层假设并非一无是处，它们的一个关键部分必须得到保留，那就是谐振腔，因为那是在像太阳那样高度无序的世界里产生特定周期的唯一手段。既然保留了谐振腔，那么新机制的关键就依然是：腔壁在哪里？对于这个问题，乌尔里克给出了全新的答案。

在乌尔里克的答案中，上方腔壁位于对流层顶部很接近光球层的区域。该区域之所以成为腔壁，是因为声波在太阳内部的传播存在一个所谓的截止频率，只有频率高于截止频率的声波才能传播。不仅如此，这一截止频率还与温度有关，温度越低（即越接近太阳表面），截止频率就越高，能够传播的声波也就越少。计算表明，在对流层顶部接近光球层的区域中，截止频率将会高到使几乎所有声波都无法传播的程度。自内向外的声波碰到这种区域时，将会像光线碰到镜面一样遭到反射，这毫无疑问就构成了腔壁。

那么，下方腔壁又在哪里呢？在太阳肚子里。这一腔壁的原理与上文介绍的大气层假设相同，即源于声波的折射。具体地说，越往太阳肚子里走，声波的波速就越高(因为温度升高)，经折射后就越往水平方向偏折，直至被反射回来为止。与大气层假设不同的是，乌尔里克的机制将整个太阳内部都作为了声波的活动场所，有足够大的空间使声波“浪子回头”，因而不必像大气层假设那样要求其传播方向接近水平。另外，从这一机制中不难看到，下方腔壁的位置不是固定的，而与声波的传播方向有关。传播方向越接近水平（比如图1中位于对流区中的深色曲线），下方腔壁的位置就越浅，声波在上方腔壁的反射次数则越多（即水平方向的波长越短）；反之，传播方向越接近垂直（比如图1中透入辐射区的浅色虚线），下方腔壁的位置就越深，声波在上方腔壁的反射次数则越少（即水平方向的波长越长）；当传播方向垂直到一定程度时（比如图1中深入核心区的深色曲线），甚至会出现下方边界消失，完全靠上方边界反射的情形（这依然构成谐振腔）。

图1  太阳内部的声波模式

定量计算表明，乌尔里克的机制可以克服大气层假设所面临的各种困难。不仅如此，这一机制还预言了一些尚未被观测到的东西。其中最突出的一个，是它预言“五分钟振荡”不是单一频率的振荡，而是由一系列彼此接近的频率共同组成的，每个频率对应于一个不同的水平波长。如果将频率与水平波长间的关系绘成图线的话，很像是一系列抛物线。这个预言对乌尔里克机制具有判决性的意义。如果它被证实，那么乌尔里克机制就会像科学史上许多其他成功理论一样，经由从观测到理论，从理论到预言，再从预言到证实那样的典型模式而被确立。反之，如果它被否决，那就没啥可说了，该机制只能乖乖入住博物馆。

那么，观测给出了怎样的判决呢？别着急，得等五年时间，因为当时人们对“五分钟振荡”的观测精度还不够高。在等待期间有必要提到的是，几乎与乌尔里克同时，两位哈佛大学的研究者也提出了类似的机制，并进行了数值计算。不过他们没有预言频率与水平波长间的关系。1972年，另一位研究者对乌尔里克的机制进行了改进，去除了一些粗糙近似。1975年，日本东京大学的两位研究者对声波在上方腔壁的反射进行了更细致的研究，给出了频率与水平波长间更精确的关系（与乌尔里克的结果相差不大）。

与这些理论进展同步，观测数据也在积累之中。乌尔里克本人无疑是最急切盼望观测结果的人，为了让观测“提速”，他将自己的研究生罗兹派往了萨克拉门托峰天文台（即埃文斯工作过的地方）。1975年，当罗兹积累了足够多的数据，准备撰写博士论文时，一个不幸的消息传了过来：他被人抢了——不是抢劫，是抢先。德国夫琅禾费研究所的天文学家德伯纳已经发表了类似的观测结果。一年后，罗兹也发表了自己的结果。那些观测结果没有让乌尔里克失望，它们的精度虽只能达到百分之几的量级，却明显地显示出了乌尔里克预言的抛物线（参阅图2）。

图2  “五分钟振荡”的早期观测结果

（频率与水平波长之间的关系）

这样，乌尔里克的机制就得到了初步证实。这不仅对乌尔里克是一个喜讯，对于太阳研究更是具有划时代的重要性，因为它开启了一个全新的研究领域：日震学。这是一个通过观测太阳上的各种振荡现象来研究太阳内部结构的新领域。在那些振荡现象中，以类型而论，最重要的是上面所介绍的声波，这是一种压强波，也称为p模；以周期而论，最重要的是上面所介绍的“五分钟振荡”。但除此之外，也还有其他一些类型和其他的周期，不过因为观测比较困难，重要性相对较低，就不在这里讨论了。日震学之所以重要，是因为乌尔里克机制告诉我们太阳上的振荡可以深入太阳内部的各个区域，因此日震学可以带给我们有关太阳内部各个区域的重要信息。像温度、密度、元素丰度、自转速度等与振荡传播有关的性质都可以通过日震学手段来加以研究。打个比方来说，太阳上的振荡仿佛是太阳的脉搏，而日震学手段则相当于是给太阳把脉问诊。乌尔里克攀到了山顶，那里的风景果然很别致，可以一直看到太阳的肚子里。不过要指出的是，日震学这个与地震学相类似的名称其实并不贴切，太阳上虽然有日震，但日震只是产生振荡的诸多原因之一，而且日震本身并非日震学研究的对象。

日震学这一研究领域虽然诞生了，但为了让它真正发挥作用，除不断改进理论计算外，还必须在观测上精益求精，其中最重要的一条是得把振荡周期尽可能测准了。在大学甚至中学物理实验课上做过周期测量的读者想必都知道，要想把一个周期运动的周期尽可能测准，要诀是观测尽可能多的周期数目。周期数目越多，所测周期的相对误差就越小。那么，为了让日震学真正发挥作用，需要观测多少个周期呢？答案是一万个以上。对于“五分钟振荡”来说，一万个周期约为35天，因此需要连续观测35天以上。

粗看起来，这似乎不是什么大不了的要求。科学研究花费几个月、几年甚至更长时间都是家常便饭，我们以前介绍过的探测太阳中微子的实验就动辄持续几年以上。但对“五分钟振荡”的观测却有一个问题，那就是太阳只有在晴朗的白天才能被观测到，一到晚上就没有了，而光子又不像中微子那样能够穿透整个地球。因此连续35天以上的观测绝不是轻而易举的事情，非但不轻而易举，经这么一说，简直要变成“不可能任务”了。幸运的是，情况也没那么糟，因为地球上有些地方的太阳是可以连续半年悬挂在天上的，那就是两极附近的地区，那里有所谓的极昼。

看来，要想对“五分钟振荡”进行精密观测，必须到极地去。极地的环境那是出了名的恶劣，温度低就不用说了，最麻烦的是，到了极地也不一定就能进行连续观测，因为极昼不等于晴天，冰雾、风暴、卷云等都会造成观测的中断。而且极地的生活条件那是相当的艰苦，通信联络那是相当的不便。到那里去做研究，套用一句网络流行语来说，叫做“哥做的不是研究，而是寂寞”。即便如此，依然有一些天文学家心甘情愿地去过寂寞日子。1980年1月，两位法国天文学家格雷克和福塞特赴南极进行了观测，可惜运气一般，只获得了5天的连续观测时间。不久之后，美国基特峰国家天文台的天文学家哈维和杜瓦尔也去了南极，在一个小得像清洁间的房间里一住就是两个月。不仅如此，他们两人后来还多次重返南极，其中有一次获得了长达65天的连续观测时间。这些研究为日震学的崛起立下了汗马功劳，也再次并且非常漂亮地证实了乌尔里克的那些抛物线（图3）。

图3  “五分钟振荡”的南极观测结果

（频率与水平波长之间的关系）

利用极昼并不是获得长时间连续观测的唯一手段。熟悉历史的读者想必知道，当年英国殖民地遍布全球时曾号称“日不落帝国”，因为太阳在任何时候总能够照到它的某一块殖民地上。与这种帝国的原理相类似，我们也可以用分布于世界各地的若干观测站来构筑一个“日不落”观测系统。1979年，英国伯明翰大学的科学家率先通过两个观测站实践了这种方法。自20世纪90年代中期开始，美国牵头组建了一个更大的“日不落”观测系统，由位于加那利群岛、西澳大利亚、美国加州、美国夏威夷州、印度及智利的六个观测站组成，称为太阳全球振荡监测网。

与太阳全球振荡监测网的建设几乎同时，一种更优越的观测手段也开始付诸实施，那就是人造卫星。这种手段的优势是不言而喻的，建在地面上的观测站，无论是两极附近的观测点，还是“日不落”的观测网，都免不了要“看天吃饭”。只有翱翔于九天之上的卫星，才能真正自由自在地对太阳进行连续观测。1995年，美国国家航空航天局发射了一颗“太阳和日球层探测器”。该探测器定位在太阳与地球之间的所谓第一拉格朗日点上，与地球公转同步地绕着太阳运转，可以常年不断地观测太阳。利用这样的现代手段，对“五分钟振荡”的观测精度已经达到了百万分之一以上的量级。

那么，日震学研究取得了什么成果呢？最重要的成果就是对标准太阳模型进行修正及检验。我们在前文中提到过，太阳模型看似粗糙，实际上却相当精密。之所以如此，除了它对物理原理的运用相当缜密外，另一个很重要的原因，就是标准太阳模型中的参数大都经过了日震学手段的检验及修正。

日震学研究所取得的另一项重要成果，是对太阳内部自转速度的分布做出了精密推断。与像地球这样的固态星球不同，太阳内部不同深度、不同纬度处的自转是不同步的。日震学研究不仅发现并测定了这种不同步性，而且还发现这种不同步性在对流层底部以下的一个被称为差旋层的薄层中，非常突然地转变成了刚性自转。这一点是由前面提到的罗兹和德伯纳共同发现的，这两人因验证乌尔里克的预言而“撞车”后，很快化“敌”为友成为了合作者，联手展开新的研究。他们所发现的这个差旋层虽然很薄，而且埋藏得很深，却很可能有着极大的重要性。一般认为，发生在差旋层中的这种自转突变现象与太阳磁场的产生有可能存在密切关联，但很多细节仍有待进一步研究。有读者可能会问：太阳的自转方式为什么会在差旋层那样一个薄层内发生突变呢？很遗憾，这是有关太阳的诸多谜团中的一个，迄今尚无答案。

除上述成果外，日震学研究还有一个引人注目的方面，那就是能够预报一部分所谓的太阳活动——即诸如黑子和耀斑那样的现象。那些现象有时会对地球造成影响，比如耀斑有时会干扰无线电通信。日震学为何能预报太阳活动呢？因为它可以探测到太阳背面的活动。它为何能探测到太阳背面的活动呢？因为那些活动大都跟太阳磁场有关，而太阳磁场会使太阳物质产生压缩、沉降等作用，那些作用又进而会影响到声波的传播，使得从太阳正面传往背面，并经背面反射回正面(整个过程约需6～7小时)的声波比正常情况提前十来秒钟。通过对这一点的观测，天文学家们能相当准确地描绘出太阳背面的活动。由于太阳自转一圈需要二十几天，因此描绘出太阳背面的活动，意味着天文学家们可以提前若干天预报那些转到正面后会对地球产生影响的太阳活动。这或许是日震学研究中最具实用意义的一面。