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[求助] 统一场论(天体物理1)

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henryharry2 发表于 2012-10-28 10:26:42 | 显示全部楼层

谜团锦簇的太阳大气层

 
那么,日冕物质抛射是如何发生的呢?很不幸,这也是一个未解之谜。人们提出了很多理论,但各有各的问题。比如很多人曾经认为,日冕物质抛射与耀斑有着直接关联,甚至完全就是由耀斑造成的。但后来的研究发现,很多大耀斑并不导致日冕物质抛射,而某些小规模的日冕物质抛射则似乎没有与之相伴的耀斑。因此日冕物质抛射与耀斑之间看来并不存在可靠的因果关联。但一般认为,两者之间虽没有因果关联,却也绝非毫不相干。佐证这一点的最好证明,就是几乎所有大规模的日冕物质抛射都有与之相伴的耀斑。另外,日冕物质抛射与耀斑一样,都几乎铁定是与太阳磁场存在极密切的关系,而且极有可能都是磁通量管的重组造成的(事实上,日冕物质抛射很可能是整段磁通量管遭到“抛弃”所致)。只不过究竟什么样的磁通量管分布会造成耀斑,什么样的磁通量管分布会造成日冕物质抛射,目前还不得而知。
从黑子到耀斑,再到日冕物质抛射,太阳活动的形式是丰富多彩的。那么,在这些活动中有没有什么共同特征呢?有,那就是太阳周期(solar cycle),那也是我们最后要介绍的话题。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-10-28 10:27:31 | 显示全部楼层

太阳周期

 
太阳周期是德国天文学家Heinrich Schwabe通过对太阳黑子数目长达17年的持续观测,并借鉴历史数据所发现的。它最初的含义是黑子数目的变化周期。但后来的研究发现它同时也影响着耀斑、日冕物质抛射等其他太阳活动,甚至对太阳的光度及太阳风的强弱也有一定影响,可以说是所有太阳活动的共同特征。另一方面,在揭示出太阳周期所具有的广泛影响力的同时,它作为周期现象的品质却在下降。现代观测表明,太阳周期并不是严格意义下的周期现象,它的平均值约为11年,但有时可以短至9年,有时又可以长达16年,甚至还出现过长达几十年没有显著活动的所谓“Maunder极小期”。不过,尽管这样的起伏,太阳活动的规律性仍是足够显著的,起码存在着近似意义上的周期性,而绝不是随机现象。在一个太阳周期中,太阳活动最少的年份称为太阳活动极小年,太阳活动最多的年份则称为太阳活动极大年。
尽管太阳周期不是严格意义下的周期,但作为一种显著的近似现象,它的存在依然是需要解释的。为了寻找这种解释,科学家们付出了几十年的艰辛努力,可惜的是——读者们一定猜到我要说什么了——迄今为止这也仍是一个未解之谜。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-10-28 10:28:24 | 显示全部楼层

发电机机制

 
当然,这并不说几十年的努力毫无成果。相反,成果不仅有,而且还不小。在这里我们介绍其中较受青睐的所谓的“发电机机制”(dynamo mechanism)。事实上,对太阳周期的具体解释是极困难的研究课题,切入点的选择却是相当显而易见的。通过本章的介绍,我们已经知道太阳活动有一个共同的幕后推手,那就是太阳磁场。而我们前面刚刚介绍过,太阳周期是所有太阳活动的共同特征。既然一组现象有一个共同的幕后推手,那么它们的共同特征最有可能归因于什么呢?当然就是太阳磁场。因此,解释太阳周期的切入点应该是太阳磁场,这也正是太阳发电机机制的切入点。发电机机制的精髓之处,就是将太阳磁场本身的演化也纳入了解释范围之内,从而在很大程度上具有统领整个领域的潜力。
发电机机制出现于20世纪60年代,此后经历了几次起落。它的早期设想是这样的:在太阳活动的极小年中,太阳内部存在着弱磁场(像太阳这样的巨型等离子气团中存在弱磁场并不是难以想象的事情,不存在反倒是难以想象的)。这种场在太阳内部主要由南极指向北极,被称为极向场(poloidal field)。极向场在太阳内部自转不均匀性的带动下,将会发生扭曲,使磁通量管沿赤道方向遭到拉伸,形成所谓的环形场(toroidal field)。随着扭曲的加剧,环形场的强度会持续增强。计算表明,当环形场的强度增加到一定程度时,磁通量管将会出现上浮的现象。不仅如此,磁通量管在上浮过程中还会产生新的极向场,从而构成极向场与环形场之间的相互支撑。当磁通量管浮出太阳表面时,将如上文说过的那样,在伸出和插回太阳表面的地方形成一对磁场极性相反的黑子。粗略的分析表明,这种机制有一个很漂亮的地方,那就是可以解释有关黑子分布的所谓Spörer定律,即在每个太阳周期中,自极小年到极大年,太阳黑子几乎总是首先出现在高纬度区域,然后向低纬度区域扩张,而且南北半球上的黑子对有着相反的极性。那么太阳周期又是如何出现的呢?是因为磁通量管的相互湮灭。当南北半球那些极性相反的黑子对扩张到赤道附近时,磁场方向相反的磁通量管会相互湮灭,从而使磁场分布逐渐回到最初时的弱磁场状态——这就是一个新周期的开始。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-10-28 10:29:38 | 显示全部楼层

发电机机制

 
这些结果初看起来很令人振奋,不仅对太阳周期作出了说明,还附送了对Spörer定律的解释,简直是“买一送一”。可惜好景不长,问题很快就出现了,而且恰恰就出在那附送的部分上。原来,发电机机制的早期研究有一个先天不足,那就是对太阳内部的自转状况一无所知。当然,在那种早期研究中,无知和无知的快乐,那就是便于作假设,因此当时人们对太阳内部的自转状况作了相当任意的假设,目的之一就是解释Spörer定律。但不久之后,我们第12章所介绍的日震学手段就粉墨登场了,它无情地粉碎了那些无知年代的快乐假设,因为它所探测到的太阳内部的实际自转状态与早期所假设的并不一致。那么,利用太阳内部的实际自转状态是不是仍能解释Spörer定律呢?很遗憾,不能。事实上,它很不幸地会导致黑子分布规律的逆转,即变成了从低纬度向高纬度扩张,与Spörer定律恰好相反。这样一来,原先“买一送一”的友情馈赠反倒变成了躲都躲不开的“硬性搭售”。更麻烦的是,早期发电机机制被认为在是对流区中起作用的,新的研究却发现,太阳对流区的环境过于恶劣,到处是强劲的湍流。在那样的环境下,磁通量管很快就会被撕碎,从而根本就不可能有时间来孕育足够强的磁场。这样一来,发电机机制连对流区这一“老巢”都失守了。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-10-28 10:30:35 | 显示全部楼层

发电机机制

 
这些问题给发电机机制蒙上了巨大的阴影。但天文学家们没有放弃,而是积极寻找着解决之道。到了20世纪90年代中期,一种新设想为发电机机制注入了新活力。这种新设想就是“迁居”——将发电机机制的作用地点由对流区迁移到差旋层中。差旋层我们在第12章末尾曾经提到过,它是对流区底部以下的一个薄层,是太阳刚性自转与非刚性自转的交界层。这样的交界层自然也会造成极向场的扭曲,从而也可以启动发电机机制。但与对流区不同的是,差旋层由于地处对流区底部以下,因而是一个相对稳定的地方,发电机机制可以在那里从容不迫地积累强磁场。不仅如此,计算表明,这种新设想所导致的黑子分布规律与Spörer定律又重新一致了,从而排除了一个重大便伤,使局势进一步明朗起来。不过硬伤虽已被排除,软伤的有无却是谁也无法打包票。发电机机制作为一个非线性模型,存在着诸如混沌之类的复杂性,而太阳周期本身也是一种复杂现象,这两者的拟合在细节上几乎无可避免地存在很大的不确定性,使得谁也无法保证目前这明朗局势是否是昙花一现,甚至只是回光返照。我们只能说发电机机制是迄今为止有关太阳磁场及太阳周期的比较有希望的机制。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-10-28 10:33:57 | 显示全部楼层

太阳对流运动

 
太阳表面的“米粒”是发生在对流区中的对流运动的体现,这一点是毫无疑问的。曾经有一段时间,天体物理学家们普遍认为“米粒”以及太阳表层的对流运动是人们在流体力学中所发现的一种称为贝纳胞(Bénard cell)的结构在太阳上的翻版。贝纳胞是1900年法国物理学家Henri Bénard在自下而上加热一个液体薄层时所发现的对流形式,它与太阳表面的“米粒”不仅具有外观上的相似性,而且在生成条件上也一度被认为是相同的,因为两者都被认为是在重力和浮力的共同作用下由对流运动产生的。
粗看起来,这是一个展示不同尺度物理现象之间相似性的漂亮结果。但这种相似性却在1958年遭到了严重质疑,因为人们发现在贝纳胞的形成过程中,一个曾经被忽略的因素——液体的表面张力——起了不可忽视的作用。为了证实这一点,科学家们甚至在“阿波罗14号”登月飞船的无重力环境下进行了贝纳胞实验,结果发现在重力和浮力都不存在的环境下依然可以出现贝纳胞,它的幕后推手是表面张力。这一结果不仅打破了对贝纳胞的传统理解,而且直接削弱了它与太阳“米粒”之间的可比性,因为在太阳表面极端稀薄的气体环境里并不存在表面张力,因此“米粒”的形成机制与贝纳胞起码是不可能完全相同的。这段插曲是一个很好的例子,说明在太阳物理学的研究中存在很多微妙的地方。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-10-28 10:35:12 | 显示全部楼层

太阳对流运动

 
太阳表面的“米粒”除了那无数个线度约为1500公里的“小”米粒外,20世纪50年代,人们在观测太阳表面物质的速度分布时,还发现了一种线度为2万~3万公里的大尺度结构,它的面积比整个地球的表面积还大,它名字叫做“超米粒”。这种“超米粒”的寿命比普通“米粒”长得多,可以有1~2天。在太阳圆面上,几乎每一时刻都分布着两三千个“超米粒”。与“米粒”不同的是,“超米粒”的速度分布基本上是水平的,无法找到像热气团上升、“冷”气团下沉那样简单的物理结构,从而无法把它们与对流运动简单地联系起来。“超米粒”的结构和成因也因此而成为了太阳物理中的一个不解之谜。
更热闹的是,除了“米粒”和“超米粒”外,1981年,人们还发现了一种线度约几千公里,介于“米粒”和“超米粒”之间的新型“米粒”,叫做“中米粒”(mesogranule)。“中米粒”的发现受到了一部分天体物理学家的欢迎,因为早在1961年就有人提出过,太阳对流区中的对流有可能具有不同的层次,“米粒”和“超米粒”分别对应于其中较小和较大的层次,但介于两者之间的层次却一直未能得到观测上的支持。“中米粒”的发现可以说是填补了这一空白。但不幸的是,这一观测与理论之间看上去很美的契合后来也遭到了质疑。有些科学家在仔细研究了观测数据后,认为“中米粒”有可能只是太阳表面物质的速度分布进行分析时采用了不恰当的统计方法所导致的“幽灵结构”,它其实根本就不存在。这方面的争议迄今仍未得到解决。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-10-28 10:38:40 | 显示全部楼层

太阳对流运动

 
因此,不仅“超米粒”是一个谜,“中米粒”也是一个谜,只不过前者之谜在于结构和成因,而后者干脆连存在性本身都是一个谜。那么普通“米粒”又如何呢?它是唯一一种与对流运动存在明显对应的“米粒”,从这个意义上讲,它是三种“米粒”当中被理解得最充分的一种。但即便对于它,也仍有很多微妙的地方有待理解,否则人们也就不会轻易犯下将它视为贝纳胞那样的错误了。事实上,如果把太阳上各种主要的复杂因素——比如太阳的自转或磁场等——的影响全都考虑在内的话,即便对于普通“米粒”的结构和成因,也还有很多需要探索的地方。

现在让我们把迄今介绍过的太阳内部结构列成一个简单的表格:

区域名称

范围

主要现象

检验方法

核心区

0~17万公里

核聚变反应

探测各个能区的太阳中微子

辐射区

17~49万公里

以辐射为主的能量传输

?

对流区

49~69.5万公里

以对流为主的能量传输

观测太阳表面的各种“米粒”
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-10-28 12:16:04 | 显示全部楼层

五分钟振荡

 
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(polar day)。
temp.JPG
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)
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-10-28 12:18:28 | 显示全部楼层

五分钟振荡

 
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(ice fog)、风暴、卷云(cirrus)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(Gerard Grec)和福塞特(Eric Fossat)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(Jaqck Harvey)和杜瓦尔(Tom Duvall)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)。
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(Global Oscillation Network Group, GONG)。
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