天文学家使用400年前的草图来解开太阳长期存在的谜团
2025-01-21 20:52

天文学家使用400年前的草图来解开太阳长期存在的谜团

  

  

  1607年,德国天文学家约翰内斯·开普勒通过对太阳表面的观察,绘制了太阳黑子的草图。几个世纪后,这些开创性的草图帮助科学家解开了一个太阳之谜。

  尽管太阳系中的一切都围绕太阳旋转,但科学家们仍未解开这颗恒星的许多秘密。

  然而,研究太阳随时间的变化,包括太阳周期,可以回答一些关于这个火热的球体及其变化的最长期的问题。

  其中一些问题围绕着17世纪的太阳活动,那是研究太阳的关键时期。

  1610年,天文学家首次用望远镜观测到太阳黑子。

  与此同时,太阳正在经历一个不寻常的转变,进入一段较长时间的活动减弱期。

  开普勒长期以来被忽视的草图,因为它们是绘画而不是望远镜观测而被忽视,可以提供至关重要的历史见解。

  7月25日发表在《天体物理学杂志通讯》上的一项新研究重现了开普勒绘制他的画时的环境。

  该研究的主要作者、名古屋大学空间-地球环境研究所助理教授Hisashi Hayakawa在一份声明中说:“开普勒在17世纪的天文学和物理学领域贡献了许多历史标杆,即使在太空时代也留下了他的遗产。”

  “在这里,我们补充说,开普勒的太阳黑子记录比现有的望远镜太阳黑子记录早了几年,从1610年开始。

  “他的太阳黑子草图证明了他在科学上的敏锐和面对技术限制时的毅力。”

  太阳经历了一个11年的盛衰周期,被称为太阳周期。

  目前,科学家们认为太阳正在达到或接近太阳活动极大期,这是当前太阳活动周期的年度高峰,被称为第25太阳周期。

  太阳活动极大期通常与太阳表面可见的太阳黑子数量增加有关。

  这些黑暗区域,其中一些可以达到地球的大小或更大,是由太阳强大且不断变化的磁场驱动的。

  今天,科学家们利用地面和太空观测站的数据、太阳表面的磁图和太阳外层大气的紫外线观测来追踪太阳活动。

  但仅仅是试图观察太阳在几个世纪前是一项困难的壮举。

  位于科罗拉多州博尔德市的美国国家海洋和大气管理局空间天气预报中心的研究科学家马克·米施说,太阳黑子是用肉眼通过雾、霾、野火烟雾或在日出或日落时观测到的,当时大气有助于降低太阳的亮度。

  米施没有参与这项新研究。

  开普勒使用了一种叫做暗箱的装置,他利用仪器壁上的一个小洞将太阳的图像投射到一张纸上,并勾勒出他观察到的特征。

  开普勒错误地认为他在1607年5月捕捉到了水星在轨道上穿过太阳的运动,但11年后他撤回了他的报告,并确定他观察到了一个太阳黑子群。

  早川说:“由于这一记录不是通过望远镜观测到的,因此只在科学史的背景下进行了讨论,而没有用于17世纪太阳周期的定量分析。”

  “但这是用仪器观测和投影绘制的最古老的太阳黑子草图。

  “我们意识到,这幅太阳黑子图应该能够告诉我们太阳黑子的位置,并指出1607年的太阳周期阶段,只要我们设法缩小观察点和时间,重建日冕坐标的倾斜——这意味着太阳表面特征的位置——在那个时间点。”

  太阳黑子并不是科学家了解太阳变化的唯一途径。

  米施说,太阳磁场的变化调节着高能粒子(即宇宙射线)在太空中的运动。

  当宇宙射线撞击地球大气层时,它们可以改变其化学成分,包括碳的平衡。

  “随着时间的推移,这些碳会被植物和动物吸收,甚至是我们自己,”米施说。

  “树木年轮提供了一个独特的机会来追踪每年的碳变化。

  古树的年轮可以追溯到几千年前。

  “碳和其他元素的同位素也可以通过被困在冰川冰芯中的气泡来追踪。”

  Miesch说,捕获在树木年轮和冰芯中的碳同位素已被用于古代太阳黑子观测的背景,并扩展了我们对太阳黑子观测发生之前的太阳活动的理解。

  这些数据被用来帮助天文学家理解蒙德极小期,这是1645年到1715年之间一个极其微弱和异常的太阳周期。

  在这个所谓的太阳极小期,太阳黑子实际上消失了,仅有的几个观测到的黑子只出现在太阳的南半球。

  太阳极小期的背景机制至今仍被天文学家争论不休,尤其是当他们试图计算出它何时以及是否会在未来几个世纪发生时。

  但是天文学家一致认为,太阳活动的模式从常规周期逐渐转变为极小期。

  之前的一项树木年轮分析表明,一个短暂的太阳周期,即太阳周期- 14,只有大约5年长,而导致了一个长达16年的极长太阳周期,即太阳周期- 13。

  Hayakawa说:“如果这是真的,这确实很有趣。”

  然而,另一项基于树木年轮的重建表明,太阳周期序列具有正常的持续时间(11年)。那么,我们应该相信哪一种重建?用独立的——最好是观测的——记录来检验这些重建是极其重要的。”

  于是,他求助于开普勒的草图。

  早川和他的同事翻译了开普勒用拉丁文写的原始报告,以了解他的太阳黑子草图的确切方向,并缩小开普勒进行观测的时间范围和地点。

  早川随后参观了布拉格的一些地点,包括开普勒在法国王室的住所和宫廷机械师贾斯图斯·布吉的工作室,以便更好地了解开普勒看到太阳黑子的地方的地形。

  现代数据工具使Hayakawa和他的同事能够计算出太阳黑子的倾角,并确定它在太阳上的位置。

  他们还应用了Sp?rer定律,该定律首先由英国业余天文学家理查德·克里斯托弗·卡灵顿观察到,后来由德国天文学家古斯塔夫·Sp?rer进一步发展,他描述了太阳活动周期中太阳黑子从高纬度向低纬度的迁移。

  研究小组确定,开普勒观测到的太阳黑子群属于太阳周期- 14的尾部,而不是太阳周期- 13的开始。

  这些发现支持了太阳周期- 13的正常持续时间为11年而不是16年的观点。

  研究人员还能够估计出太阳周期的负13可能开始于1607年至1610年之间。

  该研究的合著者、比利时皇家天文台太阳影响数据分析中心的观察员托马斯·蒂格在一份声明中说:“这显示了从前一个太阳周期到下一个太阳周期的典型转变,符合Sp?rer的规律。”

  早川说,考虑到在过去的三个世纪里有记录以来最长的太阳活动周期持续了14年,是时候为蒙德极小期寻找另一个科学前兆了。

  该研究的合著者、比利时皇家天文台的研究员萨布丽娜·贝切特说,从开普勒这样的历史人物身上,我们还有很多东西需要学习。

  “正如我的一位同事告诉我的那样,看到历史人物的遗产记录向几个世纪后的现代科学家传达至关重要的科学含义,这是令人着迷的,”Bechet说。

  “就开普勒而言,我们是站在科学巨人的肩膀上。”

  早川说,开普勒的草图有助于为正在进行的关于导致蒙德极小期的太阳周期的辩论提供信息,这也可以帮助天文学家模拟事件发生前的情况。

  “通过将开普勒的发现置于更广泛的太阳活动重建中,科学家们获得了解释太阳行为变化的关键背景,这一关键时期标志着从常规太阳周期向太阳极小期的过渡,”他说。

  Miesch称这项新研究是一项“令人印象深刻的工作”,是从历史记录中获得新见解的侦探工作的一个例子。

  “太阳黑子观测的悠久历史为一代又一代的天文学家提供了一个联系,他们怀着敬畏和好奇的态度看待太阳,从迷信发展到科学审查,再到理解。

  “看到过去的天文学家继续为科学发现做出贡献,这令人鼓舞。

  “现在,他们的努力比他们想象的更重要,因为我们的科技社会越来越容易受到太阳活动永恒起伏的影响。”

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