太阳为什么变安静了？

原文标题：Why has the Sun gone quiet？作者：Bruce Dorminey 原文来自：Astronomy   Posted：2017年12月刊编译：京晶   审校：数星星的猫 （编译版权所有，未经许可请勿转载）　　在过去十年里，太阳观测者一直处于疯狂状态，煞费苦心地尝试弄清那越来越令人困惑不解的太阳黑子活动周期——或者毋宁说是缺少这些周期。

　　2014年6月，在极紫外波段，一个能量强劲的活跃区随着太阳旋转进入视野，产生了两个非常强烈的辐射——X型耀斑。（图片来源：太阳动力学观测台、美国宇航局）
　　科学家认为太阳的活动峰值以11年为一个周期，理应像钟表那样按照固定模式准确地运行，较强和较弱的黑子、耀斑和短时间的日冕物质抛射交替出现。但始于2008年的第24个太阳周期和预计2020年到来的第25个周期却表现异常。
　　第24个周期的太阳黑子峰值推迟了近一年才出现，而且看起来是近一百年里最小的，在不断减弱的黑子活动周期里位列第三。所以，第25个周期有可能比第24个周期还要弱。

　　太阳——地球生命的能量源泉——最近异常安静。天文学家正在试图理解它为什么这么安静。（图片来源：太阳动力学观测台、美国宇航局）
　　预示着一个平静的未来
　　马里兰州美国宇航局（NASA）戈达德空间飞行中心的天体物理学家Dean Pesnell说：“用来标示第25个太阳活动周期的领先（太阳极地磁场）指标显示，下一个周期将与当前这个周期很相似。在过去的四个周期里，这个指标一直都很准。不走运的是，天文学家无法准确预测在下一个极大值之后太阳的活跃度如何”。他提到科学家还没有充分理解太阳内部循环往复的磁场增强过程。
　　太阳的种种怪异行为让天文学家心生疑窦。上一个活动周期是否暗示了太阳以后的行为？对接下来的2至3个太阳活动周期，我们有怎样的预期？地球是否注定要有一个比较寒冷而不是更温暖的气候？对身边这颗G2光谱型中年恒星的古怪行为，我们的认识是否需要调整，甚至说是有缺陷的？
　　美国维拉诺瓦（Villanova）大学的天文学家Edward Guinan说，第24个周期是近一个多世纪以来太阳黑子和磁场活动周期里最弱的周期之一。这个周期（可能还有第25个周期）可能属于所谓的百年周期。太阳黑子的观测记录（即黑子的变化趋势和磁场强度）确实显示了即将到来的太阳黑子活动极小期会非常低，而且（第25个周期）也一样不高，甚至比现在这个还弱，Guinan说。

　　在这张太阳活动随时间的变化图中，我们可以看到始于2008年、相对比较安静的第24个周期。（图片来源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）
　　没有能够做出预测的太阳发电机（产生太阳磁场的物理过程）理论，我们就不清楚在接下来的几个周期里会发生什么，美国亚利桑那州图森市国家太阳观测台的副台长Mark Giampapa说。“现在，太阳表面之下的流场似乎显示第25个周期将比当前这个周期还要弱，太阳黑子的数目不会超过100个，”他说。
　　尽管如此，NASA艾姆斯研究中心的天体物理学家David Hathaway却说，接下来的5至6个太阳活动周期将会越来越强，再往后的5至6个周期又会逐渐减弱。他认为太阳目前正处在一个活跃度不断降低的阶段。

　　2015年5月，太阳动力学观测台在极紫外波段拍摄的照片显示太阳上涌现出了十几个活跃区。在当前这个相对不太活跃的时期，这算是太阳异常活跃的一天了。（图片来源：太阳动力学观测台、美国宇航局）
　　太阳活动周期的物理成因
　　太阳活动周期与太阳磁场的产生息息相关。科学家认为恒星内部的较差自转（太阳大气的旋转速度在不同的纬度和深度不尽相同）引发了磁场的出现。太阳的两极区域比赤道区域转得慢。在太阳的光球层（可见的太阳表面）内部，磁场的扭曲和转向又可能影响太阳黑子的形成。
　　天文学家相信在太阳内部，导电等离子体的动态流动产生磁场。这一过程又会产生电流，形成太阳发电机，引发磁场。然而，如果较差自转发生变化就会削弱太阳发电机。如果太阳发电机减弱到一定程度，就会陷入所谓的太阳活动极小期。其中最出名的就是1645年至1715年、持续70年之久的蒙德极小期（Maunder Minimum）。那时，常常好几年都见不到一个太阳黑子。

　　四百年的太阳黑子观测记录显示了蒙德极小（Maunder Minimum）、道尔顿极小（Dalton Minimum），还有过去十或二十年的太阳黑子数目——在历史上也属于比较安静的时期。（图片来源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）
　　这些日子，太阳虽然很活跃却缺少黑子，有点不同寻常。是什么原因导致了这种情况？Giampapa说，第24个周期很像20世纪初的第14、第15个周期。他还指出真正需要回答的问题可能是，是什么驱动了以前的那些我们称之为现代极大期的强周期？一般认为，这些强周期始于1914年第15个周期。“没有完整的太阳发电机理论，我们很难理解驱动弱黑子活动周期的真正原因，”他说。
　　在19世纪的大部分时间里，太阳黑子的数目都有点偏低。但在1930至1990年，太阳似乎又比平常活跃一点。“有很多种方法去‘预测’太阳活动周期的强度，但大多数都没说对，”耶鲁大学的天文学家Sarbani Basu说。“如果，正如一些人建议的，太阳活动周期的强度是一个无法预测的混乱现象，那当然确实没办法预测。”
　　即使如此，Basu还是立即指出太阳目前的行为并非全无先例。在20世纪早期就曾出现过许多弱周期。
　　那些周期又是如何产生的呢？印度科学教育与研究学院的空间科学家Dibyendu Nandi解释说，当太阳内部的等离子体流的能量转换成磁场的能量，就出现了活动周期。在一个活动周期里，从太阳表面活跃的黑子区域冒出来的磁场在朝两极传输的过程中形成了太阳极地（南北向）磁场，Hathaway说。

　　太阳内部流的流动驱动了太阳发电机，产生了太阳磁场。太阳旋转引起环流（带箭头的弧线）。在太阳内部更深处，黄色区域标示出了太阳的辐射区，在辐射区内部太阳基本上做刚体旋转。热能靠对流向外传递。左侧的剖面图展示了子午环流——等离子体在赤道和极地区域之间移动。（图片来源：ASTRONOMY: ROEN KELLY）
　　这些南北向的磁场从对流层穿过，被较差自转切断。这意味着外围区域在赤道旋转得比在两极快。Hathaway说：“磁场被切断后，磁场方向改为由东向西。当这些磁场变得足够强大，就从活跃区表面冒出来，只是它们的东西走向极性与上一个周期的极性方向相反，”。

　　在极紫外波段拍摄的图像显示了磁力线从太阳的活跃区冒出来，向外伸展。（图片来源：太阳动力学观测台、美国宇航局）
　　Hathaway指出，一个活动周期的强度是由11年太阳活动周期开始时极地磁场的强度决定的。极地磁场的强度反过来又取决于上一个活动周期里活跃区的强度和数目。

　　在这张拍摄于2014年12月的合成图中，能明显看出太阳黑子和明亮的耀斑之间存在着物理关联。（图片来源：太阳动力学观测台、美国宇航局）
　　磁场的性格
　　美国科罗拉多州博尔德市空间科学研究所的天文学家Travis Metcalfe最近在《天体物理学报通信》发表论文称，随着恒星逐渐变老，磁阻尼（magnetic braking）会让它们越转越慢。Metacalfe说，太阳可能已进入到一个全新的、无法预料的、更安静的长期演化阶段。
　　这段相对比较安静的阶段需要几亿年才能结束，Metcalfe说。结果是短期的太阳活动周期终将消失，他补充道。但问题是我们如何确切知道太阳是否已经进入了安静的中年期呢？
　　“为了检验这个假说，我们需要监测更多类太阳恒星的活动情况，”Giampapa说。“太阳是否已经进入这样的安静阶段，我们还无法回答。”如果我们谈论的是太阳活动周期强度的近期起伏，那么Metcalfe与同事的研究工作就并关痛痒，Basu说。“他们的工作基本上是在提示我们说，太阳在大约20亿年前甚至更早的时候应该活跃得多，”她说。
　　Guinan说他的研究团队通过研究与太阳年龄、光谱类型相近的恒星已经得出结论：这些恒星大多数都和太阳一样，有星冕X射线辐射和色球层活动，还有与太阳相似的活动周期。他举了几个明亮的恒星做例子，其中包括天蝎座18（尾宿八，一颗距离我们大约45光年远的类太阳恒星）和半人马座阿尔法A星（一颗约4光年远的类太阳恒星）。
　　不过，Guinan也确实提到，比太阳年老20亿年左右的恒星（如天鹅座16A和16B）似乎已经进入了Metcalfe与同事提出的漫长的低活跃期。“我们最近用钱德拉X射线天文台观测天鹅座16A和16B，惊讶地发现它们的星冕X射线辐射很微弱，几乎探测不到，”Guinan说。“我们估算它们的辐射还不到日冕X射线辐射的十分之一。”
　　Guinan说，一个比较有意思的检验方法是观测与太阳年龄差不多的疏散星团M67里的光谱G型恒星，看看它们的活跃程度、旋转速度及黑子覆盖范围与太阳的是否相似。他还提到NASA的开普勒空间探测器刚刚对这个重要的星团进行了观测，他和同事们正在分析由“开普勒”提供的M67里类太阳恒星的观测数据。以前的研究发现，这些恒星的行为与太阳相似，Guinan说。

　　巨蟹座里的星团M67包含了各种类太阳恒星，也许能让天文学家更好地认识太阳。（图片来源：RICHARD McCOY）
　　“有迹象表明太阳正处于磁场发电机的转换期，不过(这)会持续几百万年，”Hathaway说。“根据太阳对流区动力学模型，还有太阳目前的旋转速度，太阳的赤道区域有越转越慢的倾向，而两极则转得越来越快。”所以，这是否算是某种极小期呢？
　　Hathaway说根据他们的研究，这更有可能不是像蒙德极小那样的极小期——几十年都看不到黑子，而是像约200年前的道尔顿极小（Dalton Minimum）那样的一个较小的极小期。
　　然而，Nandi指出我们还没达到道尔顿极小（从1790年至1830年出现的几个弱周期）出现的那种低活跃度。那次极小期过后，太阳明显变得活跃起来。Nandi说，以前的证据否定了在几个弱周期之后常跟着一个极小期的猜测。
　　关于太阳行为的理论是不是有缺陷或者需要调整？不，Basu说。把太阳归入光谱G2型似乎是正确的，她说。“我们目前还没有完全理解的是磁场的短期行为（如11年太阳活动周期），”Basu说。“那正是大多数太阳物理学家正在忙着研究的内容。”
　　正如Giampapa所说，有关太阳和恒星磁场活动的性质和演化预测理论还不完整。目前我们还不清楚这些弱周期会对全球气候有何影响。
　　“最近对太阳黑子数目的重新校准愈发表明太阳活动对气候的影响处于最小，而且仅限于太阳光度发生0.1%的变化，”Hathaway说。“这使全球温度只有0.1摄氏度的变化——幅度太小不至于引发一个‘小冰河期’。”
　　太阳黑子和地球气候
　　缺少太阳黑子到底对气候有没有影响？Guinan认为太阳活动对全球气候产生影响的唯一途径就是作用于地球的高层大气。
　　Guinan解释说在太阳活动周期中，太阳的光度变化不超过0.2%。但他也提到在任一个活动周期，太阳的X射线强度可以变化6至8倍，远紫外辐射的变化幅度在20%左右。因此，如果太阳的高能辐射通过一些未知的放大反馈机制影响地球的热层和平流层，就会对低层大气的
　　能量传递产生作用，甚至改变行星环流，导致全球温度发生微小变化，Guinan说。不过，最近的空间观测能让科学家研究太阳内部的动力学过程（通过探测太阳的内部流）与太阳磁场、微粒输出的关联。
　　为了完全理解这一切，我们还可以做些什么呢？最先进的计算机模拟能够更真实地模拟太阳的物理行为。但真正有帮助的是从上（下）方对太阳极地区域进行观测，看看它在11年太阳周期中的行为，Nandi说。
　　欧洲空间局的太阳轨道飞行器（Solar Orbiter）将在今年发射升空。它要做的就是这个，而且能更准确地预报太阳黑子的活动周期。Nandi说，专门观测处于氢燃烧主序阶段的类太阳恒星在不同时期发出的X射线辐射也有助于我们认识恒星磁场在恒星一生中的变化情况。

　　欧洲的太阳轨道飞行器将在今年发射升空，向着认识我们的母星——太阳迈出了一大步。（图片来源：欧洲空间局）
　　“我们才刚刚开始领会到母星的活动如何影响行星演化和宜居性，”Nandi说。像太阳轨道飞行器、NASA的太阳探针+（今年发射）和ISRO的Aditya-L1项目（印度在2020年发射的首个探测太阳的空间项目）这样的未来观测项目将增进我们在这方面的认识。
　　“不过，我们真正需要的是扩大我们针对类太阳恒星样本的观测内容，记录它们的长期和短期活动，”Giampapa说。我们还需要一些恒星样本作为补充。这些恒星在一些关键参数上与太阳不同，理论学家需要借此检验他们的太阳磁场形成和演化模型。
　　这将帮助科学家理解某些物理参数（例如太阳的旋转速度、对流区深度、太阳的有效温度及年龄或者演化阶段）的重要性。太阳对流层上接光球层（太阳光就从这里发出），深度大约是20万公里。“我们需要对太阳对流区的动力学过程以及太阳转速对这些过程的影响做更多的建模工作，”Hathaway说。“太阳轨道飞行器将揭示位于太阳表面之下的对流层动力学过程的细节信息。”
　　但哪一个对气候影响更大，是太阳的动力学过程？还是人类活动引起的气候变化？“相关的问题还包括太阳的影响究竟是放大、还是减缓了人类造成的影响，”Guinan说。尽管如此，Nandi仍然对太阳11年周期的异常表现已对地球气候产生显著影响这个论断表示怀疑。
　　气候物理学家和气候建模者已经得出结论：在过去的几十年里，太阳活动的变化对全球温度变化的影响远小于人类活动造成的影响，Nandi说。在深入理解太阳之前，太阳物理学家仍然不能把地球气候与太阳黑子的缺席或者大量出现完全联系在一起。

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