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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 10:11:06 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
 
对修改标准太阳模型的方案构成更沉重打击的,则是我们在后方中将要介绍的所谓日震学研究,那种研究证实了标准太阳模型的许多细节,从而为修改标准太阳模型的努力设置了相当苛刻的限制。事实上,标准太阳模型看似粗糙,只用寥寥几个方程式来描述整个太阳的基本特征,但它对物理原理的运用却是相当缜密的,甚至达到了“牵一发动全身”的精密程度。比如要想调低太阳的核心温度,就必须同时调节太阳内部重元素比例之类的参数,那么参数有不少是可以用日震学手段进行检验的,而检验的结果几乎无一例外地支持了标准太阳模型。
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henryharry2 发表于 2012-10-28 10:12:49 | 显示全部楼层

谜团锦簇的太阳大气层

 
我们将探索太阳的最后一个组成部分:大气层。那是一个肉眼通常难以窥视的地方,利用各种仪器的帮助及日全食的机会,天文学家们已经对它进行了颇为细致的观测。观测的结果如何呢?概括地说是四个字:谜团锦簇。事实上,在这个谜团锦簇的太阳大气层中,我们将要面对的谜团可能要比在前面各章中遇到的加起来还多。这是因为太阳大气层比太阳内部更复杂吗?未尽。更有可能的原因是我们对太阳大气层的观测远比太阳内部来得细致。
我们在第12章中已经提到过太阳大气层的某些部分。比如厚度约500公里的温度最低层,厚度约2000公里的色球层等。本章的探索将从色球层开始,因为它将带给我们第一个谜团——色球层反常高温之谜。
色球层这一名称来自希腊文词根“chromos”,含义是颜色(color)。色球层的一个很引人注目的特点,就是一反太阳内部温度自核心向外逐层递减的趋势,出现了外层温度比内层更高的奇怪现象,即所谓的色球层反常高温。这种反常高温的原因是什么呢?或者更具体地说,它所需的能量从何而来呢?科学家们进行了长期研究,并提出了一些可能的机制。目前看来比较靠谱的机制主要有两种:一种是声波加热,另一种是阿尔文波(Alfvén wave)加热。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-10-28 10:14:02 | 显示全部楼层

反常高温

 
声波加热顾名思义,就是认为色球层反常高温所需的能量来自于声波。太阳上的声波我们在第12章中曾经介绍过,它们以太阳的肚子为谐振腔,形成很多模式,并且如注释所说,在被对流区顶部反射时会有一部分“漏网”,形成诸如“五分钟振荡”这样的大气层振荡现象。那么,那部分“漏网之鱼”的最终命运会如何呢?一般认为,色球层就是它们的葬身之地,而它们葬身之时留下的唯一“遗产”就是能量——维持色球层反常高温所需的能量。这就是所谓的声波加热机制。不过这种机制有一个显著的缺点,那就是只在能量需求不大的色球层下部才比较有效,在真正急需能量的色球层上部却不够“给力”。计算表明,大部分声波根本没到色球层上部就“出师未捷身先死”了。
那么色球层上部高温所需的能量又来自何方呢?一般认为,也是来自一种波,叫做“Alfvén波”。那是一种沿着下文将要介绍的太阳磁场中的所谓磁通量管传播的波,是瑞典物理学家Hannes Alfvén提出的。研究表明,这种阿尔文波可以远比声波传得更高,从而可以为色球层的上部送去“温暖”,这就是所谓的Alfvén波加热机制。不过,声波加热与阿尔文波加热这两种机制的“高低搭配”是否算是解决了色球反常高温之谜呢?目前还没人能打保票,因为很多细节仍有待完善。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-10-28 10:15:26 | 显示全部楼层

谜团锦簇的太阳大气层

 
反常高温并不是色球层带给我们的唯一谜团,色球层中的另一种现象也对天文学家们提出了挑战,那就是所谓的针状物(spicule)。早在1877年,意大利天文学家Angelo Secchi就在色球层的边缘上发现了这种形如尖针的东西。后来的观测证实,那是一些底面积与四川省差不多大,高度相当于几百个珠穆朗玛峰的“小火舌”。这样的“小火舌”在整个色球层中通常有六七万个之多,它们的温度在1万度左右,底部物质以每秒几十公里的速度向上升腾。这些“小火舌”的成因也是一个谜团,一般认为,它们与“五分钟振荡”有着密切关系,但很多细节同样有待完善。
不过,我们对色球层的理解虽然是“缺点错误在所难免”,总体来说还算差强人意。与之相比,色球层以上的麻烦可就大多了。经过一个厚度200公里左右的“薄如蝉翼”的过渡区,太阳大气层的温度剧增到了100万度以上。那里便是日全食照片中的日冕(corona)。日冕这一名称的希腊文词根表示的是王冠。日冕不仅形状复杂,其他方面也很复杂,比如它的密度分布极不均匀,有些地方甚至有巨大的空洞,称为“冕洞”(coronal hole);它的温度分布也同样极不均匀,平均为100万~300万度,局部的低温和高温则比比皆是。
日冕给天文学家们带来的谜团是显而易见的,那就是它为什么会有如此高的温度?这个谜团与色球层的反常高温之谜如出一辙,“难度系数”却高得多。因为声波与Alfvén波这两种为色球层送出“温暖”的加热机制,对于“高高在上”的日冕来说,都显得有些“力不从心”。这其中声波加热机制连色球层上部都难以到达,自然就甭提了。Alfvén波的情况要强一些,它能为日冕提供一部分能量,但数量却不够。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-10-28 10:16:39 | 显示全部楼层

日冕高温之谜

 
因此,解决日冕高温之谜还需要其他机制的加盟,这其中比较有希望的一种机制,是美国天体物理学家帕克(Eugene Parker)在1988年提出的所谓“纳耀斑”(nanoflare)加热机制。按照这种机制,日冕中常常会发生微型爆炸,即所谓的“纳耀斑”,这是我们将在下文中介绍的耀斑(flare)的“迷你版”,威力“仅”相当于几百个氢弹,次数却很频繁,足以为日冕送去大量“温暖”,甚至有可能是日冕能量的主要来源。当然,这后一点目前谁也说不准。一般认为,太阳上不同规模耀斑的数量分布与自然界的很多其他随机现象一样,近似地满足所谓的幂律分布(即数量与规模之间满足近似的幂函数关系)。按照这种分布,“纳耀斑”的存在是不成问题的,数量也应该是比较大的,但是否大到能为日冕提供足够能量的程度,则与幂律的幂值有关,人们对之尚有争议。纳耀斑加热机制如此,其他机制的情况也大致相若,各有各的争议之处。那些争议不解决,日冕的高温之谜当然也就无法解决。
日冕不仅温度极高,体积也极为庞大。看过日冕相片的读者想必都对日冕的体积留有深刻印象。从相片上看,日冕有时候能延伸到几个太阳半径处,其体积之大甚至超过了太阳本身。与地球大气层(厚度约100公里)的体积仅为地球体积的百分之几相比,日冕的体积无论绝对值还是相对值都是极为巨大的。但这是否就是太阳大气层的边缘呢?答案是否定的。事实上,早在20世纪50年代中期,英国天文学家Sydney Chapman就曾提出,日冕虽然看上去只延伸到几个太阳半径处,但如此高温的气体是不可能被禁锢在那样“小”的范围之内的。据他估计,日冕应该能一直延伸到地球轨道以外。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-10-28 10:17:54 | 显示全部楼层

谜团锦簇的太阳大气层

 
作为谜团锦簇的太阳大气层的成员,色球层和日冕都给天文学家们出了难题,太阳风也不例外。迄今为止,人们尚未找到一个能全面描述太阳风特征的模型。观测表明,太阳风的“风速”约在每秒200~ 800公里之间。其中“风速”在每秒400公里以下的被称为慢太阳风,“风速”在每秒400公里以上的则被称为快太阳风。太阳风模型必须解释,却迄今尚不能给出满意解释的一个老大难问题,就是这两者——尤其是快太阳风——的起源。一般认为,快太阳风粒子的起源需要一个合适的加速机制,这种机制与日冕的加热机制很可能存在密切关系,甚至有可能是同源的(比如阿尔文波有可能对两者都起着重要作用),但具体如何,还有待进一步研究。
以上就是对太阳大气层底部各主要成员的大致罗列。小结一下的话,那么太阳大气层底部有一个很“凉快”薄层叫做温度最低层,自那以上温度不降反升,在温度不算太高的色球层中,有几万个底面积“只有” 四川省那么大,高度“只有”珠穆朗玛峰的几百倍那么高的“小火舌”。在那以上,经过一个“薄如蝉翼”的过渡区,是体积大得惊人的日冕,那里的物质极度稀薄,温度却高得邪乎,还时不时地有几百个氢弹炸来炸去。再往外,则是以比火箭还快几十倍的速度劲吹到几百亿公里外的太阳风。
黑子的“黑”和“小”这两个品性算是被搞清楚了,但它为什么能“出高温而不染”,维持这么“低”的温度呢?这可就不是一个简单问题了。它所牵扯到的是太阳大气层中最重要的幕后推手:太阳磁场。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-10-28 10:19:34 | 显示全部楼层

黑子稳定之谜

 
1908年,美国天文学家George Hale通过光谱学手段发现,黑子中存在强度约为0.3特斯拉(0.3T)的磁场。这是很强的磁场,比地球磁场强一万倍左右,也比太阳表面的平均磁场强得多。这一强磁场的存在为揭开黑子的“维稳”之谜提供了线索。这线索就是:“维稳”离不开“警力”,而磁场恰恰可以充当这种“警力”,因为它会产生一种特殊的压强,叫做磁场压。正是在磁场压的帮助下,温度较低(从而内部压强也较低)的黑子才能抗衡外部物质的高压而维持稳定(黑子一般能维持几天至几星期,在太阳大气层中算是比较稳定的结构)。进一步的计算还表明,强磁场对太阳物质的对流会产生抑制作用,使得能量无法经由对流有效地传至黑子内部,这就解释了黑子温度偏低的原因。更令人欣慰的是,在理论上还可以证明,太阳物质的运动会通过一种所谓的“对流坍塌”(convective collapse)现象,而自发地造成某些区域的磁场强度增加。这种磁场强度增加的区域通常呈管状分布,被称为“磁通量管”。磁通量管伸出或插回太阳表面的地方通常就会形成黑子。由此可见,磁场的存在除了能解释黑子的主要特征及“维稳”机制外,还可以解释它的成因。不仅如此,由于磁通量管的伸出与插回总是“成双成对”,且极性相反的,它还可以解释有关黑子整体分布的一个重要特征,那就是黑子常常成对出现,且每对黑子的磁场极性彼此相反。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-10-28 10:22:11 | 显示全部楼层

谜团锦簇的太阳大气层

 
但是,磁场的存在虽然解释了黑子的成因、主要特征及“维稳”机制,却不等于说就没有带给我们其他谜团了,那样的谜团其实还不少。细致的观测表明,黑子有着复杂的结构,除了被称为“本影”的黑色中央区域外,半径在5000公里以上的大黑子四周通常还有所谓的“半影”,它们的颜色较浅,包含了很多纤维状结构。更仔细的观测还表明,本影中有时会出现亮点,半影内则有时会出现旋涡状结构,在黑子消亡前,本影内有时还会出现明亮的桥状结构。这些细致结构的成因及演化目前都还是有待探索的谜团。
太阳活动的另一个重要成员叫做耀斑。如果说黑子是一种很低调的太阳活动,那么耀斑就恰好相反,它极为张扬,是“爆炸式”的活动。一个大耀斑通常可以释放出几十亿亿亿焦耳的能量,相当于一百亿个百万吨级氢弹同时爆炸!在大耀斑爆发时,太阳大气层的局部温度可以在短时间内升高到2000万~3000万度,比太阳核心的温度还高。耀斑的威力极为惊人,虽然发生在一亿五千万公里之外的太阳上,却足以对地球产生显著影响。事实上,1859年9月,人类记录下的第一个大耀斑就是以它对地球的显著影响而引起人们的注意的,它所发射的带电粒子流猛烈撞击地球磁场,产生的极光(aurora)一直延伸到赤道附近,使无数没有机会前往极地的人领略了一次天象奇观。随着技术的发展,耀斑对地球的影响得到了越来越多的显现机会。1984年4月,一个普通耀斑中断了美国总结Ronald Reagan的“空军一号”专机与地面的通信,使美国情报部门大为紧张,以为是苏联人在做手脚。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-10-28 10:23:11 | 显示全部楼层

谜团锦簇的太阳大气层

 
耀斑给我们提出的问题是显而易见的:那就是它为什么会发生?它的能量来自何方?科学家们对这些问题进行了长期研究。与黑子一样,一般认为耀斑的发生也跟太阳磁场有着密切关系。一种目前比较流行的观点认为,耀斑的发生很可能是磁通量管的重组造成的。太阳上的磁通量管就像橡皮筋一样,可以通过应力等形式储存能量(上文提到的阿尔文波之所以能沿磁通量管传播,也正是因为这一特性)。随着太阳物质永不停息的运动,磁通量管会被拉伸、扭曲、缠绕,这些过程会大大增加储存在磁通量管中的能量。但这种过程是不可能永远持续下去的,因为能量越高的状态就越不稳定,最终将会有一个时刻,如同橡皮筋突然断裂一样,磁通量管发生重组,由拉伸、扭曲、缠绕后的复杂状态一举重组回相对简单的状态,并将因拉伸、扭曲、缠绕而储存起来的能量在很短的时间内释放出来,由此形成的就是耀斑。
这种机制得到了一定程度的观测支持。人们发现,耀斑通常发生在极性变化较为复杂的黑子区域附近,那里不仅有强磁场,而且磁通量管的分布较为复杂,容易发生上述机制所要求的拉伸、扭曲、缠绕等过程。但这种机制也并非没有问题。比如前面提到的帕克在20世纪60年代曾对磁通量管的重组进行过估算,结果发现那需要几小时甚至几天的时间才能完成,而耀斑的能量释放过程往往持续不到一分钟,两者大相径庭。为了解决这一问题,科学家们提出了许多修正方案,比如有人提出磁通量管的重组只需发生在一小段而不是在整段上,从而能在短得多的时间内完成。也有人提出磁通量管在重组前会破碎成许多小圈,从而大大增加接触面积,使重组得以“提速”,等等。总之,方案人人会提,各有不同巧妙,但越是巧妙的方案所需的观测证实通常也越精密,其中很多都超出了目前的观测能力,因此耀斑的发生机制到目前为止还是一个谜,探索的道路还很漫长。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-10-28 10:25:24 | 显示全部楼层

谜团锦簇的太阳大气层

 
除耀斑外,太阳大气层中的另一种爆发现象近来也受到了越来越多的关注,那就是所谓的日冕物质抛射(coronal mass ejection)。一定规模的日冕物质抛射的发生频率从几天一次到一天几次不等,它们与耀斑的主要差别是会抛射出大量的“物质”,主要是带电粒子,数量约有几十亿至上百亿吨,飞行速度约为每秒几百公里,所携带的动能与大耀斑的总能量相近。这些质量相当于几万艘巨轮的带电物质若不幸与地球相遇,将会造成大型的地磁暴,其威力往往要比耀斑造成的地磁暴更厉害——这也正是人们越来越关注日冕物质抛射的主要原因。
一九8九年3月,一次小规模日冕物质抛射引发的地磁暴,造成了加拿大魁北克省电力系统的崩溃,并使得极光范围一直延伸到美国南部的得克萨斯州,很多人甚至担心美苏双方的军事通信系统会因地磁暴的干扰而触发核大战。小规模日冕物质抛射尚且如此厉害,大规模日冕物质抛射倘若击中地球,结果更是不堪设想。这其中最令人担忧的就是大规模日冕物质抛射击中地球的可能性。有人也许会说:1859年的大耀斑不就是一次天象奇观吗?并没有造成严重后果啊?
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