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世界科技全景百卷书: 太阳的儿女们
太阳是一颗恒星，在这颗恒星身边诞生了行星世界。这些行星的成员众多，运行活泼，变化万千，使太阳永不寂寞。古人早就发现，在太阳和月亮经过的天区附近，常有几颗明亮的星星，经过一段时间观察发现它们在众恒星背景上有明显的位置变化，给它们起了有别于恒星的名字，叫行星。中国古代把水星、金星、火星、木星和土星统称为“五星”或“五行” 行星世界成员的共同特点是：九大行星绕太阳运动的轨道平面基本上都很靠近，叫共面性；都朝同一个方向绕太阳运动，叫同向性；同时，它们的轨道又都是似于圆的椭圆轨道，叫近圆性。真是“家有家规，生活有序”。因此，九大行星绕太阳运动各行其道，非常稳定。九大行星都是近似于球形的天体，本身一般不发可见光，所见行星的亮光是其表面反射太阳光的缘故。如果你通过天文望远镜观察行星，会发现它们都有一定的视面，而恒星就没有机面了。因此，行星有视面不闪烁。恒星是点光源，由于地球大气抖动，引起闪烁的现象。由于行星绕太阳运动，各自有各自的运行周期，我们从地球上看去，它们就出现了相对于太阳的位置变化，有时隐、时现，时进、时退的现象，这叫行星的视运动。眼睛可直接见到的几大行星的亮度和颜色也是不一样的。金星最明亮，木星次之，火星发红，土星有些发黄。这些也可以作为判别行星的依据。天文学家们还常常以地球轨道来划分行星，把地球轨道以内的水星和金星叫内行星；把地球轨道以外的火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星称为外行星。按行星的质量、体积、结构和化学元素组成，又把水星、金星、地球和火星称为类地行星，而把木星、土星、天王星和海王星称为类木行星；冥王星暂未定。 行星世界是人类最近的地外邻居，也应作为人类的家园。随着空间技术的飞速发展，人类已发射了数以千计的探测器，对行星世界和行星际空间进行探测，获得了丰硕的成果。 太阳家族的小兄弟 在太阳家族中，九大行星各具特色，享有盛名。说起行星世界里还有众多的小兄弟——小行星，人们也许感到陌生。但是，这是太阳之家中一个不可小看的群体。 1801年1月1日的新年之夜，人们都在欢庆进入新的一年。意大利西西里岛的巴勒莫天文台台长皮亚齐正沉浸在自己的乐趣里。当他把天文望远镜对准金牛星座时，突然发现一颗8等星亮度的奇怪天体。皮亚齐以科学家应有的仔细，对这个不速之客进行了多方核实。他决定第二天再跟踪这个天体的行迹。第二天发现这个陌生的天体从东向西移动了4角分。皮亚齐确定它是太阳系内的天体。但是，皮亚齐不愿冒然地公布此事。在以后的6个星期里，皮亚齐一直监视着这个大体，它在恒星之间不断地改变着位置。这位台长判定它是一颗彗星。可是，就在这个关键时刻，他患病在身，不得不中断观测。等他康复后再行观测时，这个天体在群星间消失得无影无踪了。此时，皮亚齐发现自认为是彗星的消息传到德国柏林天文台。台长波德正在邀请的24位天文学家沿黄道分段搜查在火星和木星之间可能存在的行星。皮亚齐正是被邀请的24位著名的天文学家之一。波德分析了皮亚齐的观测情况以后，认定皮亚齐发现的就是火星和木星之间的尚在寻找的天体。但是，光这样推测还不行，还必须根据观测资料计算出它的轨道才能确定。这时，年仅24岁的德国大学生，即后来鼎鼎大名的大数学家高斯，创立了一种新的数学计算方法。这种方法能根据在不同时间测得的某一天体在天空中的3个精确位置。计算出这个天体的轨道。这位青年大学生根据皮亚齐的观测结果计算出这个无名天体的轨道，恰好在火星和木星轨道之间．正是24位天文学家要搜寻的行星。知道了它的轨道，就容易在群星之中再把它找到。高斯与皮亚齐通力合作，很快就公布了这位不速之客的轨道数据。这是天文学家和数学家绝妙合作的典范。在发现这一天体一年以后，即1802年1月1日，德国天文学家奥利培尔斯根据计算的位置，果然又找到了这个天体。这个天体就是发现的第一颗小行星。以罗马神话中谷物的保护神命名为谷神星。1802年发现第二颗小行星，命名为智神星；1804年又发现第三颗小行星，命名为婚神星；1807年又发现第四颗小行星，命名为灶神星。这就是到目前已知体积最大的四颗小行星。 小行星的特征是：第一数量多。从1801年到1995年底，全世界共发现并经国际天文学联合会小行星中心确认，给予正式编号的小行星6160颗。据估计，从地球上看去，亮于21等星的小行星有约50万颗之多；第二范围广。绝大多数小行星都在火星和木星轨道之间绕太阳运动，在这个行星际空间形成一个小行星区，叫小行星带。但是也有少数散漫而孤独的小行星跑出了群体，它们有的轨道半径在火星轨道之内，有的又到了木星轨道之外，还有极少数小行星跑到地球轨道附近，距地球在几十万到几千万公里之间。这类小行星叫近地小行星；第三体积小。目前已知体积最大的小行星就是谷神星；它的直径约1000公里。一般小行星直径只有1公里到几十公里。估计小行星的总质量仅为地球质量的万分之四；第四形态各异。小行星多呈不规则的形体；第五具有三种物质类型。按小行星的物质组成，可分为碳质小行星、石质小行星和金属小行星。碳质小行星约占小行星总数的76％，石质小行星约占16％，金属小行星约占5％。 近地小行星虽然为数极少。但一直被天文学家们给予特殊的关注和严密的监视。因为它们有可能在“万一”之下撞到地球上来，对人类和地球环境构成危害。目前，国际上正在形成近地小行星联合监视观测网，以便万一出现险情提早预防。说到这里，人们也许会问：有小行星撞击地球的先例吗？目前，我们只知道有陨石落地，还不能确认哪个就是小行星的袭击。但是，地球上也确有些巨大的陨石坑，应是“地外来客”撞击地球的痕迹。1908年6月30日早晨，在俄罗斯西伯利亚通古斯地区发生一次惊人的陨击爆炸事件，产生的爆炸声和冲天的火光在1000公里之外感受也很强烈。科学家们经过多年现场考察，认为这很可能是地外来的小行星或彗核对地球的撞击引起。1980年，美国物理学家、1968年度诺贝尔物理学奖获得者路易斯·W·阿尔瓦雷斯和他的儿子——地质学家沃尔特·阿尔瓦雷斯共同提出，曾经统治地球长达1.5亿年之久的庞大动物——恐龙，为什么在6500万年前突然灭绝了呢？他们认为，这是由于一颗直径约10公里的小行星撞击地球引起巨大爆炸，产生强烈的核辐射，抛出大量的尘埃，遮天蔽日达数年，形成了核冬天。在这种突然袭击下，恐龙和大量生物灭绝。当然，这只是学说，还有待研究证实。但是，它也提醒我们要注意观测和预防近地小行星的陨击。 预防近地小行星对地球破坏性的陨击，具有重要的现实意义。同时，小行星身居太空，经历了太阳系演化的历史时期，具有丰富的大阳系变迁的信息，对研究太阳系演化有重要的科学价值。随着空间科学的发展，天文学家们不仅在地面上观测小行星，而且利用探测器去观测小行星。1989年，美国发射的“伽利略号”探测器，在飞往木星的途中，于1991年10月29日，近距拍下了加斯帕拉 （951号）小行星非常清晰的照片。这是人类第一次见到小行星表面的情况。这颗小行星是不规则体，为19公里×12公里×11公里，表面布满坑穴。1993年8月28日，“伽利略号”又拍下艾达（241号）小行星的照片。它的表面也有大量的坑穴。这对研究小行星在行星际空间的经历有非常重要的意义。1996年2月17日，美国又发射探测小行星的探测器，它将于1999年2月探测“爱神星”。爱神星是1898年8月13日，由德国天文学家威特发现的小行星。它的国际统一编号为433号。它绕太阳运动的轨道半径为1.46个天文单位，轨道偏心率为0.22，轨道的近日距为1.13个天文单位，绕太阳一周约642个地球日。由此可见，它的轨道有一大半是在火星轨道之内，距地球最近时约2300万公里，属于近地小行星。它的形态也不是球形，而是长约35公里，宽约14公里，高约13公里的不规则体。由于形态不规则，从地球上看去，它的亮度在不断变化，最亮时为6.5等星，是著名的变光小行星。1898年发现爱神神时，当时它是已知的天体中，除月亮之外，最接近地球的天体。1900年和1930～1931年，天文工作者利用它这两次最接近地球的机会对它进行观测，从而求得日地平均距离的精确值。因此，爱神星在天文学家们的心目中占有特殊的地位。1999年2月，探测器将在爱神星上着陆，我们拭目以待。 我国在小行星的观测和研究方面，有突出的成就和杰出的贡献。1928年，正值中国人民经受各种苦难的年代，一位在美国叶凯士天文台攻读博士的26岁的中国人，于1928年11月22日晚，用口径60厘米的反射望远镜发现一颗小行星。这颗小行星被国际天文学联合会正式编号为1125号。根据发现者提议，1125号小行星被命名为“中华”星。这是中国人发现的第一颗小行星，也是亚洲人发现的第一颗小行星。这位年轻人就是我国现代天文事业的主要奠基人张钰哲先生。解放后，他曾长时间担任中国天文学会理事长和紫金山天文台台长。在他的创建和领导下，紫金山天文台一直从事小行星的观测和研究工作。到目前，已发现并被国际天文学联合会小行星中心正式编号的有120多颗小行星。紫金山天文台已将几十颗小行星用我国省市、地区的名字及古代著名科学家和现代知名人士的名字命名。如：将国际编号为2045号小行星被命名为“北京”，2169号被命名为“台湾”，1802号被命名为“张衡”，2963号被命名为“陈嘉庚”等等。同时，国际天文学联合会为表彰我国在小行星观测和研究方面所作的突出贡献，特将2051号小行星命名为“张，zhang”，即张钰哲先生。1994年9月，又将3494号小行星命名为“紫金山天文台星”，以祝贺紫金山天文台建台60周年和取得的杰出 行星的卫士们 提到太阳家族，人们自然会想到这个家族的中心天体——光芒万丈的太阳，还有大名鼎鼎的九大行星。对于绕行星运动的卫星，往往被人们忽视，似乎它们都是无足轻重的“小字辈”。其实，这些千姿百态的无名之辈也是太阳家族中的一个“阶层”。它们身上有鲜明的饱经沧桑的太阳系演化烙印，任何关于太阳系的研究，不充分考虑它们的特征是不行的。 如果把大行星比作太阳的儿女，那么卫星就是太阳的孙子辈。太阳家族可谓“三代同堂”。在太阳家族中，我们对“第三代”成员相识最早的就是地球的卫星——一月球。月球是和人类关系最密切的卫星，也是人类到达过的唯一的卫星。除月球外，人类最早发现的卫星是1610年1月，意大利著名天文学家伽利略通过天文望远镜发现的木星的4颗卫星。从此，揭开了人类认识卫星的新篇章。 从1610年到19世纪末的290年间，先后发现的卫星有火星两颗，木星5颗，土星9颗，天王星4颗，海王星1颗，共21颗卫星。这21颗卫星都是通过天文望远镜日视观测发现的，天文望远镜大大地武装了人类的眼睛。 1901～1974年，在这74年间，又发现木星的8颗卫星，土星的2颗卫星，天王星和海王星各1颗卫星，共12颗卫星。这12颗卫星都是通过天文远镜用照相方法发现的。照相方法完全代替了人的眼睛。这样，太阳家族的卫星总数达到34颗。 1975～1989年，在这15年间，先后又发现木星的3颗卫星，土星的12颗卫星，天王星的10颗，海王星的6颗和冥王星的1颗，共32颗卫星。近15年发现的卫星数几乎等于过去三个半世纪所发现的总和，使太阳系的卫星总数增到66颗。这里还要记住：与以前发现的卫星相比，这些新发现的卫星体积都很小，非常暗，在地球上用一般天文望远镜是看不见它们的，就更谈不上发现了。当然，在新发现的32颗卫星中，只有冥王星的卫星是1978年在地球上用天文望远镜照相观测发现的。其他31颗全是空间探测器飞临行星附近，做专门近距考察时发现的。宇航技术完全改变了天文观测的环境，使天文学的研究手段从观测进入考察。从上述三段历史时期看，新卫星的发现日新月异，这表明技术科学的发展对人类认识太空产生的巨大威力。如果说太阳家族是一个大家庭，每个大行星又是一个独立的小家庭，每个小家庭有多少“小字辈”呢？目前，已知九大行星所属66颗卫星的分布是：水星：0，金星： 0，地球： 1，火星： 2，木星： 16，土星： 23，天王星：15，海王星：8，冥王星：1。 我国天文学家戴文赛先生在研究太阳系的起源和演化时，根据九大行星的特征，将九大行星分成三大类型。即类似地球的行星，叫类地行星，有水星、金星、地球和火星；体积很大的行星，叫巨行星，有木星和土星；离太阳远的行星，叫远日行星，有天王星、海王星和冥王星。如果以这样三类来分，卫星的分布是；类地行星共3颗卫星，巨行星共39颗卫星，远日行星共24颗卫星。行星和卫星的分布是研究太阳系的起源和演化的重要方面。 最为奇特的是不仅大行星有卫星，就连小行星也发现有卫星。大文学家们既感到惊奇，又感到喜悦。1978年6月7日，发现第532号小行星（名为大力神）有卫星。1978年12月11日，又发现第18号小行星（名为梅菠蔓）也有卫星。后来还发现几颗小行星也可能带有卫星。现在有人又在考虑，有没有绕大卫星运动的小天体呢？如果将来真的发现卫星的“卫星”，那么太阳家庭就是“四世同堂”了。 66颗卫星的大小和形态千差万别，迥然不同。体积最大的前十名是：木卫三直径5150公里，土卫六直径4828公里，木卫四直径4800公里，木卫一直径3630公里，月球直径3476公里，木卫二直径3140公里，海卫一直径2720公里，天卫四直径1630公里，天卫三直径1610公里，土卫五直径1530公里。这前十名中，木星的卫星4颗，土星和天王星的卫星各2颗，海王星和地球的卫星各1颗。只有木星的强大引力才能“管住”这么多大卫星。现在已知木卫二、木卫三和土卫六上都有大气层。 直径在200公里以上的卫星有23颗，直径大于1000公里的卫星有16颗，直径在3000公里以上的卫星6颗。比水星大的卫星有木卫三，比冥王星大的有7颗卫星。 在卫星世界里，已知冥王星卫星的直径为1200公里，与冥王星直径2400公里之比约为1∶2。这是卫星和自己的行星体积比值最大的。为什么它们的比值如此之大呢？有人认为，冥王星可能不是在太阳系内形成的天体，而是被太阳引力俘获的原来是太阳系外的一个小天体。这个小天体后来可能受到一次撞击，一分为二，便是现在的冥王星和冥卫一。也有人认为，冥王星和冥卫一原来不是“正统”的行星和卫星关系，而是两颗游荡着的大彗核，只是后来在太阳的引力下才形成目前的轨道。当然，这些都有待进一步研究。 从形状上看，体积大的卫星基本上都呈球形，体积小的卫星有的呈球形，有的是椭球形，有的是不规则的形状。在不规则形状的卫星中，我们了解最多的是火卫一和火卫二。它们的形状很像两块马铃薯。卫星的大小和形状展示出它们自身的不同经历，记录了它们复杂的生涯。至于它们的历史究竟是怎么回事，现在还说不清楚。 现代太阳系演化理论认为，九大行星和大多数卫星的轨道，都遵循一些基本规律。它们是：同向性，即都是沿反时针方向运动；共面性，即卫星轨道基本上都在自己行星的赤道面内；近圆性，绝大多数卫星轨道都近似正圆轨道，甚至比行星轨道还圆。同时，绝大多数卫星的自转周期等于公转周期，即像月球一样，总以同一个半面向着自己的行星。 然而，“别出心裁”的不规则的“小字辈”也大有“星”在。比如，木卫六、木卫七、木卫八、木卫九、木卫十、木卫十一、木卫十二、木卫十三、土卫九、海卫二和海卫二等，它们的轨道都不在自己行星的赤道面内，而有20°以上的交角。特别是木卫八、木卫九、木卫十一、木卫十二和土卫九，它们与众不同，在轨道上沿顺时针方向运动，在天文学上称这样的运动为逆行。 更奇特的是土卫三、土卫十三和土卫十四，这三颗卫星共“居住”在同一个轨道上。土卫十三在土卫三前面60°，土卫十四则在土卫三后面60°。三个“小字辈”运行得还很协调，令人刮目相看！土卫七更有自己的“绝活”，它的自转似乎有点杂乱无章，在轨道上公转也摇摇晃晃，活像一个醉汉。它为什么是这个样子呢？有人认为，可能它遭到过一次撞击，偏离了原轨道，正在逐渐恢复之中。土卫十和土卫十一的轨道十分靠近，离土星都在15.1万～ 15.2万公里之间。公转周期都是16小时40分左右。所不同的是土卫十的轨道与土星赤道之间的倾角是0.3°，土卫十一则是0.1°。有人认为，这两颗卫星原来可能就是一颗卫星，后来在某次还不知其原因的撞击事件中分成两半。 海卫二的运动也有特色。它的轨道非常扁，离海王星最近时有140万公里，最远时竟达970万公里，相差近7倍，实在少见。 最有趣的卫星和行星之间的运动关系要算冥王星和冥卫一。冥卫一的自转周期和公转周期及冥王星的自转周期，都是6.3867个地球日。这意味着冥卫一总以同一面向着冥王星，而冥王星也总以同一面向着冥卫一。也就是说，从冥王星上看冥卫一时，它在天空中的位置是固定的，在冥卫一上看冥王星时也是这样。真是太空奇观！ 太阳家庭中的这些五花八门的卫星，为我们深入地认识太阳系内的天体规律提供了丰富多彩的信息，同时也提出了众多的疑难问题。 太阳家族的邻居 我们居家总要了解自己周围环境和邻居的状况。地球的空间环境和邻里就是太阳系内的行星际空间。那么，太阳系所处的恒星际空间又有哪些邻居呢？它们的状况如何？我们知道，在银河系内约1000亿颗恒星中，离太阳最近的恒星是半人马座的比邻星，它离太阳约4.2光年，目视星等为11等星。可见，在距太阳4光年半径的恒星际空间是没有任何恒星的。只有太阳和它的家族在这里安居乐业。这是一个充满活力的空间。在距太阳5光年之内，有3颗恒星。它们是：上面介绍的比邻星，还有与比邻星在一起组成目视三合星的另外两颗恒星。它是半人马座a星（甲星），叫南门二，它是全天第三颗最亮的恒星，约为0等星，它与我们太阳属同一类恒星，其体积和质量比太阳稍大一点，距太阳约4．3光年。另一颗星亮度为1等星，距太阳约4.3光年，体积和质量略比太阳小一点。第三颗星就是比邻星。在距太阳10光年内共有11颗恒星。除上面介绍的3颗恒星外，还有著名的蛇夫座巴纳德星。它是19I6年由美国天文学家巴纳德发现自行最大的恒星，它每年自行10.31＂，为9.5等星，距太阳5.9光年；大犬座天狼星，它是目视双星。甲星就是天狼星，是全天最明亮的恒星，距太阳约8.6光年，为一1.5等星。另一颗乙星是天狼星的伴星，为8.5等星，距太阳也是8.6光年，它是一颗典型的白矮星；鲸鱼座中 UV星也是一颗双星，距太阳都是9光年。其中UV星B是1948年发现的特殊型的变光恒星。它在3分钟内，光度可增强11倍，然后又慢慢暗下来。它为13等垦，是距太阳最近的耀星。狮子座佛耳夫359星距太阳8.1光年；大熊座拉兰德21185星距太阳8.2光年；人马座罗斯154星距太阳9.3光年。距太阳21光年内，则有100颗恒星，其中包括天鹰座中的牛郎星，小犬座中的南河三和天鹅座 61星（两颗）等。 太阳的这些近邻各有特色，天文学家们早已把它们列为重要的研究对象。太阳家族之谜 在所有的各类天体里面，与我们人类关系最密切的要数太阳，影响最大的也是太阳。人类最关心和研究得最多的天体，除了地球这艘“宇宙航船”外，大概就是太阳了。人类对太阳的研究，可以一直追溯到最遥远的古代，而科学地研究太阳，并取得辉煌成果，那只是最近几百年的事。从把太阳当作神到今天我们对这颗太阳系中心大体的了解，是个不断解谜而又不断提出新谜，以及逐步深化和更全面地认识的发展过程。 可是，即使站在今天科学技术水平的角度来看太阳，它向我们提出来的谜，也包括那些疑难之点在内，仍旧是相当多，而且是五花八门，更不要说今后一定还会继续不断地出现的新的谜和问题。把这些谜写成一本厚厚的大书、也并不是十分困难的事。 中微子失踪案 太阳内部究竟是什么样子？ 恐怕谁都不能完全说清楚。因为，人们平常对太阳的观测，不论用的是什么手段，不论是可见光还是射电波、紫外线、X射线等，基本上只能看到它的表面和大气中的一些现象。日震为我们提供了太阳内部的部分信息，但这种信息很有限，而且也不能深入到太阳最核心的部分。 中微子，这种物质结构中的基本粒子之一，向科学家们伸出了支援之手。 中微子是什么样的东西呢？它哪来那么大的本领？ 我们知道，小到纸张、铅笔，以及塑料、橡皮、布匹等等，都是由无数分子组成的，而分子一般则是由两个以上的不同化学元素的原子组成，譬如，我们生活中不可缺少的水，就是由氢原子和一个氧原子合在一起组成的。 那么，原子是由什么东西组成的呢？是由比它还要小得多的基本粒子组成的。到目前为止，已经发现了好几十种基本粒子，如光子、电子、质子、中子等，中微子是其中的一种。 中微子的存在早在本世纪30年代初就有人提出来了，20多年后从实验中得到证实。中微子是一种性质很特别的基本粒子，它的质量小得不能再小，几乎快接近于零了。它不带电，也不与一般物质打“交道”，是个脾气孤僻又很难跟它“对话”的家伙。 有意思的是，太阳中心在热核反应过程中，却产生出大量的中微子，每秒钟约200万亿亿亿亿个。由于们对别的物质概不理睬，势必就浩浩荡荡迅速穿过太阳内部各层，直奔空间，其中一部分就直奔地球而来。根据理论来推算，每秒钟、每平方厘米的地面上大概落下600亿个中微子，我们的头顶上要承受多少中微子的袭击呀！比雨点密了多少倍呀！不过，我们一点都不必担心，中微子的质量实在是太小太小了，我们对它没有丝毫的感觉，也不会受到它任何的伤害。 从太阳核心部分来的中微子，必然带着核心部分的宝贵信息，如此大量的中微子亲临地球，向人类报告太阳内部的温度、压力、密度和各种物理状况，这对人类来说，真是“踏破铁鞋无觅处”的绝好机会。设置陷阶 知道有大量中微子来到地球上，那还是比较容易的，真正要抓住它们，哪怕是只抓住少数“代表”，就不那么容易了。为了排除一切干扰，包括避免由宇宙线产生的中微子混进来“捣乱”，英国布鲁克黑文实验室的戴维斯等科学家，于1955年布置了一个特殊的陷阶，像捕捉野兽那样，等待中微子来自投罗网。他们的陷阱是个大容器，装下了39万升 （开始实验时只装了3900升）、重600吨的四氯化二碳溶液。容器安置在一座报废了的在地面下1500多米深的金矿矿井里。这对中微子来说是无所谓的，因为它不会与别的物质发生作用，钢筋水泥、铜墙铁壁、上层岩石都挡不住它，它会轻而易举地直接来到矿井，穿透容器壁，而与溶液发生作用。 从计算情况来看，大体上1800亿亿亿亿个化学元素氯的原子，平均可以在一秒钟内抓到一个中微子，而溶液中大致有200多万亿亿亿个氯原子。这么算起来，戴维斯等人布置的陷阱每天只能落进去1.1个中微子，可说是不多。我们把一件很困难完成的事比作是大海捞针，逮中微子比大海捞针还难得多。 结果怎么样呢？莫名其妙的案情 经过10多年的探测，有了初步结果，“中微子被逮住了”的消息不胫而走，立即轰动了全世界。天文学家们为抓获了直接从太阳核心部分来的物质而兴高采烈，并寄予很大希望。可是，好景不长，戴维斯等很快发现，实验结果与理论推算不符合。原本希望每天能捕捉到1.1个中微子，实际情况却有很大出人。1973年的实测结果是每5天“捉”到1个中微子，有时候则是接连好几大1个中微子的影子都不见。1978年得出的结果是，平均2.3天得到1个中微子。大体说来，中微子的探测值只是理论值的1／3，两者相差颇多。 其余的中微子哪里去了呢？ 戴维斯及其合作者对陷阱和实验步骤的全过程作了反复的推敲和考察，认为容器、溶液和整个实验工作是无可指责的。这意味着中微子理论确实出现了“危机”，这就是直到现在仍使科学家头痛的中微子“失踪”案。 奇怪，太阳中微子哪里去了呢？ 人们因此而受到启发，认为中微子的失踪至少反映出三个方面的问题： （1）也许我们对于太阳内部构造，处于特殊状态下的物质性质，了解得太少了，甚至有严重缺陷和错误，应该重新掌握大量第一手资料，建立更加符合实际情况的理论模型。 （2）也许我们已经建立起来的热核反应的理论有问题，尤其是在太阳内部的具体条件下，中微子的产生理论和机制可能都有误，需要重新考虑，也许就根本没有产生出那么多中微子。 （3）对中微子本性的了解，对中微子在从太阳到地球的过程中某些性质是否会改变等，在认识上也许都还存在不少问题。可疑的踪迹 为了解释观测与理论之间的矛盾，科学家们从不同的角度提出的假说已达好几十种。下面是其中的几个例子。 太阳内部重元素的含量，现在一般都定为2.5％。如果这个比例能降低到0.1％的话；如果太阳内部的自转比表面快得多，中心部分的自转比表面快两倍的话；如果太阳核心部分的磁场特别强的话；如果太阳中心有个半径只有几厘米而质量达到太阳的十万分之一的微型黑洞的话；……太阳中微子的理论值就会比现在所认为的小得多，它就能与观测值比较符合。 这类“如果”还可以举出一些，但是，不管情况究竟怎么样，是否有点道理，它们给人的感觉是：假说都是为了适应观测值的需要，而特意生搬硬套地“制造”出来的，不能解决什么根本问题。 有人将太阳中微子的“失踪”，跟太阳耀斑联系在一起；也有人认为，太阳中微子流的数量随时间而变化，可能与太阳活动存在着一定的关系。 有人主张太阳的组成成分、中心温度，与传统的认识也许有所不同，正是这些因素影响着中微子数目的多少。 有人指出，应该重新测定中微子的质量，也许能从这里找到中微子“失踪”案的答案。几乎已成定论的太阳核心热核反应过程，也许事实上并不完全是那样。再说，中微子从太阳飞到地球的8分多钟时间内，在奔走了15000万公里之后，它本身会不会表现出“疲劳”而变得“衰弱”些呢？ 总而言之，已经提出来的假说真是五花八门，但都不成熟。看来，最好的办法莫过于继续加强观测和实验，进一步搜集和掌握更多的有说服力的第一手资料。 戴维斯的实验没有取得预期的结果。他失败了，但并不灰心，他准备建立一个灵敏度更高的“陷阱”，来捕捉更多的中微子。日本神冈的中微子监测器已开始运转了好几年；前苏联北高加索地区匹克桑河床下面的地下实验室正在进行一项非常重要的实验，它能探测到的中微子范围比前面介绍的美国和日本的要广得多；意大利罗马附近大萨索山地下实验室和加拿大的、布置在深2000多米镍矿井中的中微子实验室，也都分头积极进行各具特色的实验。 我们相信，总有一天太阳中微子之谜会被揭穿，“失踪”案最后会水落石出。 太阳伴星之谜 在天文学上，一般把围绕一个公共重心互相作环绕运动的两颗恒星称为物理双星；把看起来靠得很近，实际上相距很远、互为独立 （不作互相绕转运动）的两颗恒星称为光学双星。光学双星没有什么研究意义。物理双星是唯一能直接求得质量的恒星，是恒星世界中很普遍的现象。一般认为，双星和聚星 （3～10多颗恒星组成的恒星系统）占恒星总数的一半多。太阳作为一颗较典型的恒星，它是否也有自己的伴侣——伴星呢？或者说，它是否也属于一种比较特殊的物理双星呢？近几年来，这是科学家非常关心的问题，这个问题是由地球上物种绝灭问题提起来的。 太阳是双星吗 天文学家曾有过太阳具有伴星的想法是很自然的事。当人们发现天王星和海王星的运行轨道与理论计算值不符合时，曾设想在外层空间可能另有一个天体的引力在干扰天王星和海王星的运动。这个天体可能是一颗未知的大行星，也可能是太阳系的另一颗恒星——太阳伴星。 为了解释美国那两位古生物学家的发现，1984年，美国物理学家穆勒在和他的同事，共同提出了太阳存在着一颗伴星的假说。与此同时，另外的两位天体物理学者维特密利和杰克逊，也独立地提出了几乎完全相同的假说。 穆勒在和他的同事们讨论生物周期性绝灭的问题时说：“银河系中一半以上的恒星都属于双星系统。如果太阳也属于双星，那么我们就可以很容易解决这个问题了。我们可以说，由于太阳伴星的轨道周期性地和小行星带相交，引起流星雨袭击地球。”他的同事哈特灵机一动，说：“为什么太阳不能是双星呢？同时，假设太阳的伴星轨道与彗星云相交岂不是更合理一些？”于是，他们在当天就写出了论文的草稿。他们用希腊神话中“复仇女神”的名字，把这颗推想出来的太阳伴星称为“复仇星”（Nemesis）。 前面所提到的彗星云一般称为“奥尔特云”，它是以荷兰天文学家奥尔特的名字命名的绕日运行的一团太阳系碎片，奥尔特曾认为它距离太阳15万天文单位 （日地平均距离），可能是一个“彗星储库”，其中至少有1000亿颗慧星。由于太阳伴星在彗星云附近经过，使彗星运动轨道发生变化，因此引起彗星撞向地球，结果引起了生存条件的变化。穆勒说，这种彗星雨可能持续100万年。这一观点与某些古生物学家设想物种绝灭并不是那么突如其来的意见是一致的。 人们考虑到，如果太阳有伴星的话，在几千年中似乎却没有人发现过，想必它是既遥远又暗淡的天体，而且体积不大。这是很有可能的情况，因为在1982～1983年，天文学家利用红外干涉测量法，测知离太阳最近的几颗恒星都有小伴星，这种小伴星的质量仅相当于太阳质量的1／15～1／10。此外，在某些双星中，确实还有比这更小的伴星存在着。恐龙绝灭 随着现代考古学的进展和放射性同位素测定年代的技术应用于考古学，人们发现，在过去的6亿年中，地球上至少发生过5次大的和几次小的生物绝灭。譬如，其中主要的有5亿年前的寒武纪绝灭，导致三叶虫类从地球上消失；2.48亿年前二叠纪发生的一场最大的生物绝灭，约有90％以上的海洋生物绝种；大约在6500万年前的白垩纪，地球上的庞然大物恐龙以及70％的动植物种灭绝了。 引起这种大规模物种绝灭的原因是什么呢？有些科学家指出，这是由于地壳板块的漂移，形成大地震和造山运动，新的大陆和海洋出现，引起生物环境的变迁，物种因此而发生大规模绝灭。这个理论的问题在于，大陆板块漂移是较慢的，而且是不间断的，为什么物种大规模绝灭带有突发性，即似乎是“一下子”就被毁灭了呢？ 1977年，美国地理学家阿瓦兹与它的父亲——诺贝尔物理学奖获得者路易斯，提出了恐龙绝灭与白垩纪末期的陨石雨有关的假说，其中提到可能有一颗小行星碰撞地球导致恐龙绝灭。 1984年，美国的两位古生物学者，对地球上物种绝灭情况作了统计分析研究，结果发现，在过去的2.5亿年中，生物灭绝似乎有一定的规律：约每隔2600万年出现一次绝灭高峰期。如此准确的周期性意味着什么呢？人们根据古生物学者推算出的生物灾难期，对地面大陨石坑形成年代进行了考察，发现在生物灾难期间形成的陨石坑，比其他年份多得多。有的天文学家认为，这可能是由于彗星周期性地轰击地球而引起的。因为，在银河系平面中，宇宙尘埃比较密集，当太阳带领太阳系全体成员经过此平面时，宇宙尘埃就会扰动彗星云，引起彗星轰击地球，导致生物的大规模绝灭。 “复仇星”在哪里 自从太阳伴星——“复仇星”的假说公诸报端，科学家们开展了认真热烈的讨论。人们根据开普勒定律推算，若其轨道周期为2600万年，那么轨道的半长轴应该是地球轨道半长轴的88000倍，约1.4光年，即太阳伴星距太阳比任何已知恒星要近得多。 1985年，美国学者德尔斯莫在假设“复仇星”确实存在的前提下，用一种新方法算出了这颗星的轨道。他首先对最近2000万年左右脱离奥尔特云的那些彗星进行统计、调查，对126颗这样的彗星及其运动作了统计研究，断言他的统计可靠性达95％。他确定，大多数这类彗星都作反方向运动，即几乎与太阳系所有行星运动的方向相反。根据这些彗星的冲力方向算出，在不到2000万年以前，奥尔特云从某一其他天体接受到一种引力冲量。他认为，这是由一个以每秒0.2或0.3公里速度缓慢运行的天体引起的，“复仇星是一种令人满意的解释”。 德尔斯莫根据动力学算出，“复仇星”的轨道应该与黄道几乎垂直，它目前应该接近其远日点（距太阳最远的点），而它的方向应该是离开黄极5°左右。 美国学者托贝特等，计算了“复仇星”可能的轨道因星系“潮汐”——即太阳系以外的物质引力影响而产生的轨道变化。考虑到这颗星可以运行到离太阳很远的地方，很容易受到别的天体引力的影响。托贝特说，即使它原先的轨道很稳定，也不可能在从太阳系存在以来的46亿年中，轨道一直保持不变。许多研究者同意这样的看法：这颗轨道周期为2600万年的伴星的预期寿命至多为10亿年。这就意味着，它可能是在太阳形成之后很久才被太阳“俘获”的，或者就像有的科学家指出的那样：在“复仇星”刚形成时，它和太阳之间的联系要比现在紧密，其周期约为100～500万年，后来由于其他天体的引力“牵引”而外移到现在的轨道；这种外移最终会导致它脱离太阳的引力影响。 为了寻找“复仇星”，穆勒等人用大型天文望远镜拍摄了大约5000张北半球暗星的照片。他计划，每隔一段时期拍摄一次，由比较一下哪些暗星存在较大的“自行”，它们就是“复仇星”的选者了。如果他们在北半球找不出这样的星体，他们还将探查南半球天空。一般认为，太阳伴星应属于一种较小的恒星——红矮星。可是，目前人们还没有南半球天空的红矮星表，观测上的困难是很多的。穆勒说：“如果他们找到了一颗近似的星体，接下来事情就好办了。”一旦从大海里捞出了这枚针，要证明这确实是那枚针就不难了。疑问重重 针对太阳系的现状，有一些天文学者认为，太阳伴星由于某种原因未能形成，而形成了九大行星及其卫星、小行星和彗星等等。美国天体物理学家韦米尔和梅梯斯的研究认为，尚未发现的太阳第 10颗大行星 （经常写做X行星）可能是引起周期性彗星雨——生物大规模绝灭的原因。 韦米尔他们是在把前人两个设想合并到一起后，创立这种新颖的解释的。这两个设想是：在冥王星轨道之外存在着X行星；以及认为在海王星之外的太阳系平面中可能有一个彗星盘或彗星带。在他们设计的一个模型中，X行星周期性地从上述彗星带近旁穿过，破坏彗星轨道，使大量彗星冲向太阳系内部。韦米尔说，这个理论的优点之一是X行星的轨道距离太阳要比“复仇星”近得多，因而将十分稳定。X行星轨道平面与太阳系平面成45°倾角，设想它每1000年沿轨道运行一周。但是它也会受到其他行星引力的牵引而引起轨道变迁，每隔2600万年，当其运行到接近上述彗星带时，就会触发一场彗星雨。 美国科学家海尔斯综合了不规则地通过“复仇星”轨道的恒星的各种作用，估计出“复仇星”在过去的2.5亿年中，其轨道周期的变化应为15％。鉴于此，人们认为，不管是哪种情况，在“复仇星”的可能轨道上，所有的扰动都意味着天文钟的调谐并不那么精确，而如果这颗太阳伴星确实存在的话，人们不应该期望它触发彗星雨和引起大规模物种绝灭的周期十分精确。遗憾的是，至今缺乏更好的地质资料，尤其是陨石坑方面的资料，地球上的证据的不确定因素太大，以 致于无法准确地说出“复仇星”天文钟的周期性能精确到什么程度。 总而言之，根据科学家们的研究推测，太阳很可能存在或有过伴星，但是要找到它、证实它，确实是一件困难的事，人们期望着科学家们早日解开这个宇宙之谜。 冕洞之谜 太阳大气最外面的一层叫做日冕。冕的本意是礼帽，日冕确实像顶硕大无比的帽子，从四面八方把太阳盖得严严实实。 除非用一种专门的仪器，否则，平常是无法对日冕进行观测的，只有在日全食的时候，才有机会看到它数十秒或者数百秒钟。日冕一般分为内冕和外冕两部分，从空间拍摄的日冕照片上，可以看到外冕最远一直延伸出去好几十个太阳半径那么大的距离。 日冕呈现出白里透蓝的颜色，柔和、淡雅，逗人喜爱。日冕虽然不亮，但用肉眼观测或者拍下照片来看，各处亮度还比较均匀，没有太明显的差别。可是，从空间拍下的日冕X光照片上看起来，它却是另外个模样。其中最引人注意的是，日冕中有着大片不规则的暗黑区域，它们并不很稳定，形状时有变化，有人把它们比喻为是日冕中出现的“洞”，冕洞的名称就是这么来的。说实在的，冕洞这个名字并不恰当，因为它基本上都是长条形的，有时从太阳的南极或者北极，一直伸展到赤道附近，长好几十万公里。从X射线的角度来看，说它是“洞”还勉强可以，冕洞里确实是“空洞洞”的，穿过冕洞可以直接看到光球，光球是完全不发射X射线的，所以在X光照片上，冕洞表现为暗黑色的一片，看起来像是好端端的一个圆面上，被涂黑了一大片。踏破铁鞋无觅处的M区 我们都有这样的生活体验：风从东面吹来的时候，树叶、炊烟以及我们的衣服和长发，都向相反的西面飘起来。天文学家们从彗星尾巴老是背着太阳这一点得到启发，猜测太阳是不是也刮“风”？当然，这风指的是从太阳向外抛射出来的带电的物质粒子等。正式提出太阳风的名称，并得到确认，那是本世纪50年代的事。 太阳风是从太阳面上什么地方往外吹出来的呢？这个问题一开始没有得到圆满的解释。 在本世纪30年代之前，科学家们惊奇地发现，某些磁暴——地球磁场的强烈骚动是周期性的，每隔一定的周期就重复出现，周期是27日。显然，产生这种磁暴的原因也应该具有27日的周期。科学家们很自然地想到了太阳，它赤道部分的会合周期也是27日，可见这两者之间存在着某种关系。 周期性发生的磁暴与太阳赤道部分的哪些区域有关呢？这是些什么样的区域呢？多少年来，一直没有人能说清楚。这些“神秘”的区域被叫做M区，但谁也没有在观测中发现过M区。 在对冕洞的探讨和研究过程中，天文学家们找到了根据而恍然大悟，40多年来踏破铁鞋无觅处的M区，原来就是太阳赤道部分的冕洞，从它那里使劲地往外“吹”的带电物质粒子，就是好几百年“视而不见”的太阳风。 冕洞、M区、太阳风，三者合一，不仅解释了一直存在的一些疑难问题，也推动了科学家们去进一步探讨由日冕和冕洞反映出来的新现象。 “天空实验室”的误飞 本世纪60年代以后，一系列的空间探测器为我们取得了大量的有关日冕和冕洞的第一手资料。尤其是“天空实验室”的发射成功，在其从1973年到1979年6月运行期间，特别是三次载人飞行期间，主要的观测对象就是太阳，总共拍摄了18万多张珍贵的太阳照片，为我们深入认识太阳和日冕作出了贡献。 “天空实验室”飞行期间，正是太阳活动并不太剧烈的时期，太阳面上的冕洞总面积竟然达到20％的样子，其中小的也许只占1％，而大的可达5％。太阳表面的1％大体上是600多亿平方公里，这些冕洞有多大呀！在太阳活动剧烈的时候，冕洞的面积是否会更大更多呢？多到什么程度呢？现在还说不太清楚。 有趣的是，太阳两极处冕洞面积的总和可以说是相当稳定的，加在一起可达到太阳表面总面积的15％左右，也就是一个极处的冕洞面积扩大时，另外一个极处的冕洞就缩小，反过来也一样。为什么两极的冕洞面积之和基本上保持不变呢？难以理解！ 冕洞是太阳大气中一种寿命较长和比较稳定的现象，般可以存在相当于5个太阳自转周期那么长时间，有的甚至达到10个周期。小冕洞的寿命比较短，也许只存在二三十天，大致相当于1个太阳自转周期。冕洞面积的增长和减小速度比较平稳，而且大体相同，约每秒10000多平方公里。为什么冕洞存在的时间那么长，比黑子长得多？为什么它面积的增长速度和减小速度又大体相同呢？难以理解，也难以解释清楚。 前面说过，冕洞是太阳上的一种比较稳定的现象，这是科学家们长时间研究的结果。但是，空间观测给科学家们的提示是：日冕的短时间的“瞬时”现象，不仅存在，而且很壮观。从“天空实验室”对太阳所作的精细观测表明，日冕经常发生突如其来的、相当猛烈的抛射现象，大量物质一下子从冕洞排山倒海般地向四面倾泻，使附近的日冕部分发生明显的改变。一次这样的瞬时现象可以短到几分种，长到一二个小时。在此期间被抛出的物质少则数百亿吨，多则上千亿吨，物质被抛出的速度可以达到每秒500公里以上。这种瞬时现象是怎样发生的？是由于什么机制触发而形成的呢？它与太阳的整体活动有什么关系？等等，现在都还难以理解和解释。一无所获 科学家们确实已经知道了不少关于冕洞的物质和情况，也确实有许多现象还没有得到满意的解释。除了上面提到的冕洞的面积、寿命、增大和减小速度以及瞬时现象等之外，这里再列举几个方面： 冕洞的分布：最近20多年来，观测到的所有冕洞几乎都跟同一个太阳半球上的极区冕洞联系在一起，而且往往延伸到另一半球。换句话说，在太阳北半球出现的冕洞，从北极区开始向南穿越整个北半球，穿过赤道，一直延伸到南纬20°左右；南极区的冕洞则与南半球上的冕洞联结在一起，并一直延伸到北纬20°左右。为什么会是这样的分布情况呢？还不清楚。 冕洞的旋转：太阳大气中的多数现象的旋转情况是这样的：所处的日面纬度越高，绕太阳旋转的速度越慢。这就是所谓的较差自转，或较差旋转效应。冕洞似乎不遵守这种效应，它以自己的方式随着太阳自转，相对于太阳来说，它的位置基本不动，近似于所谓的刚体旋转。譬如同样都是在日面纬度40°处，冕洞的旋转速度比黑子要快7％左右；比赤道区域的冕洞只慢0.5％～1.0％，可说是相差无几。为什么冕洞不作较差自转？还不太清楚。 冕洞与磁场的关系：冕洞总是出现在太阳面上大而只有单极（正极或负极）的磁区域中，它因此而被区分为正极型和负极型两种。可是，并不是每个大的单极磁区中都会产生冕洞。就磁场强度来说，冕洞中的磁场是不均匀的；冕洞与无冕洞区的磁场并没有明显的差别，而且比太阳活动区要弱。可以认为，冕洞的产生和存在与磁场强度的大小，没有太大的关系，至少不是起主导作用的关系。 那么，冕洞究竟是怎么形成的呢？冕洞出现的频率有什么规律吗？冕洞的边界是如何逐步变化的？如果说，冕洞的发生和形成是由于太阳上的某种特殊过程的结果，那么这个特殊过程又是什么呢？ 冕洞及其所在的日冕，为科学家提供了许多令人惊奇而难以理解的现象，而对这些现象的本质的认识，我们还处在茫然无知或者说刚开始的阶段。 耀斑之谜 太阳物理学是天体物理学中最重要和最出色的部分之一，而对于“精耕细作”过的太阳来说，耀斑又是太阳物理学家最感兴趣的课题。为什么如此呢？因为太阳上最激烈的活动现象是耀斑，对地球影响最大的日面现象也是耀斑，当代太阳物理学中最大的难题还是耀斑。 太阳是一个高温气体球，由于太阳物质的透明性不佳，用光学望远镜或射电望远镜只能直接看到它的外层——太阳大气。太阳大气从下到上分成三层，即光球、色球和日冕。在色球与日冕之间，有时会出现亮度突增的现象，即这块区域突然变得比周围明亮；与此同时，射电波、紫外线、X射线的流量也突然增加，有时还会发射高能γ射线和高能带电粒子。这种太阳局部地方的辐射突然增加现象，就是太阳耀斑。随着对太阳研究的不断发展，以及对太阳耀斑理解的逐步深入，天文学家提出了“品种”繁多的耀斑概念。例如，把发射可见光增强辐射，并可用单色光观测到的耀斑区称为光学耀斑；与光学耀斑相类似，用X光观测到的耀斑区称为X光耀斑；会发出完整的连续光谱，在白光照片上也能看见的称为白光耀斑；发射高能质子流、产生太阳质子事件的耀斑为质子耀斑；另外还有能被地面观测宇宙线的设备记录到宙射线粒子的宇宙线耀斑，等等。 耀斑最突出的特征是来势凶猛能量大，在短短的一二十分钟内，一个大的耀斑可以释放1万亿亿亿甚至10万亿亿亿尔格的巨额能量，相当于10～100万次强火山爆发的能量和。如此大的气魄，使地球上的自然现象望尘莫及。 天文学家把增亮面积超过3亿平方公里的称为“耀斑”，不到3亿平方公里的称为“亚耀斑”。耀斑分为四级，分别以1、 2、 3、 4表示，在级别后面加上 f、 n、 b，分别表示该耀斑亮度为弱、普通、强。所以最大最亮的耀斑是4b，最小最暗的是If。耀斑的破坏行为 太阳是地球能量的源泉，如果太阳打个“喷嚏”，地球都会“感冒”。那么，称为太阳上“惊天动地的爆炸”的耀斑，毫无疑问地会对地球造成强烈的影响。 耀斑发射出强烈的短波辐射；严重地干扰了地球低电离层，使短波无线电波在穿过它时遭到强烈吸收，致使短波通讯中断。耀斑发射的带电粒子流与地球高层大气作用，产生极光，并引起磁爆。耀斑的高能粒子会对在太空邀游的宇航员构成致命的威胁。近些年来，科学家还把地球演变、地震、火山爆发、气候变化，甚至心脏病的发生率、交通事故的出现率与耀斑爆发联系起来。为了避免和减轻耀斑造成的危害，许多科学工作者正孜孜不倦地从事耀斑预报的研究。但像地震预报一样，这是一个十分艰深的课题，由于我们对耀斑产生的规律和机制知之不多，充其量只能预测在日面哪些区域可能出现耀斑，至于什么时候出现就很难预料了。最近，北京天文台的艾国样等一些天文学家在观测中发现，在耀斑爆发出现前数小时，日面磁场图上呈现红移现象，这种耀斑前兆红移现象，反映出物质向下沉降的倾向。学者们认为，对这种现象的深入研究及获得更多的观测结果，有可能为太阳耀斑预报提供一种新的有力手段。 太阳耀斑的研究具有重大的意义，其重要性不但在于日地关系的认识方面，也因为它的研究同天体物理学中其他领域的研究有着密切的关系。太阳耀斑现象只是自然界中所广泛发生的耀斑现象中的一个特殊情形。通过对太阳耀斑的研究，可以了解许多其他有关的恒星和星系。同太阳耀斑有关的物理机理也可能用来解释其他天体物理现象，如耀星、射电星系、类星射电源、X射线星和γ射线爆发等。这些都增加了太阳耀斑问题的重要性和天文学家对其研究的兴趣。耀斑的形成 耀斑的巨大能量来自磁场，这可以说已成定论。简单的计算表明，一个强度为100多高斯、体积为100亿亿亿立方厘米的磁场区域，一旦土崩瓦解，它释放的磁能供给一次大耀斑爆发绰绰有余。因此，寻找耀斑的基本能源并不是特别困难的事。困难的问题在于解释这些能量转变成何种形式才能产生耀斑。也就是说，磁场这个魔术师是怎样像变戏法一样把耀斑这个怪物弄出来的？是什么原因使储存在磁场中的能量一下子突然释放出来？另外，许多种性质相差悬殊的辐射怎么会一起迸发出来？为什么低温的可见辐射与高温的X射线一道出现？这些都是天文学家一直未能解决的耀斑中的关键问题。 在本质上，关于耀斑起源的所有理论都认为，活动区中的强磁场起着重要的作用。因为耀斑的发生、位置和形状明显地表明它们同磁场的关系密切。分歧在于能量储存的两个主要问题：其一，耀斑能量是否是在耀斑过程中或在此之前 由下面进入大气层的？若在此之前，则时间多长？是几十分钟、几小时还是几天？其二，如果耀斑能量事先就储存在大气中，那么磁场的作用是主动的还是被动的？主动作用指磁能本身就是主要的耀斑能源；被动作用指磁场好像是容器、捕捉机、催化剂或引导途径一样。 认为磁能是耀斑能源的理由是：没有观测表明，在耀斑发生前能量以其他形式储存着。除磁能外，没有其他形式的能量足够大到可作为耀斑的能源。虽然耀斑发生前后磁场变化不大，但这可能是因为所测出的是光球磁场，而耀斑却发生在色球和日冕中。特别是由于所预期的磁场变化接近于磁象仪的观测极限。认为磁场只起被动作用的论据是：没有观测证明在耀斑前后磁场有显著变化。反对磁场起主要作用的有些人仍承认能量储存在日冕中，但不是磁能。也有些人认为能量全不储存在太阳大气中，并假设在耀斑过程中能量来自光球之下。 天文学家提出的耀斑模型有数十种之多，但根据当前已有的观测资料，尚难以肯定哪种观点符合实际。不过大多数人倾向于认为，在耀斑发生前能量就储存在活动区中，而且耀斑的能源就是磁场本身。 从本世纪50年代开始，许多太阳物理学家致力于耀斑与磁场相互关系的研究。一般认为，磁场必须具备较复杂的磁场结构，磁场结构越复杂，越容易产生耀斑。经常发生耀斑的部位在磁场中性线（即磁场强度为零的地方）两侧，偶尔也在中性线上。美国大熊湖天文台台长齐林是这样解释耀斑发生过程的：磁场沿磁力线下来，与色球层气体相碰撞，使中性线两侧磁力线的足跟部位发光，成为人们所见到的耀斑。总之，耀斑本身是磁场不稳定的结果。正是由于磁场这种非平衡状态，导致了耀斑的爆发，以达到磁场新的平衡，耀斑的爆发过程同时也是大量能量释放过程。较大的耀斑爆发不但由于氢原子热运动温度可达几千万度甚至上亿度，并且有很强的X射线、紫外光线以及高能质子放出。这些强烈的辐射光线增加了氢原子的压力，使氢原子、离子及其他微粒以超过1000公里／秒的速度抛出，成为太阳的微粒辐射。地面研究 近年来，国内外天文学家在研究太阳活动区磁流体力学和太阳耀斑方面做了大量工作。从1957年国际地球物理年至今，已经历了四次太阳活动峰年，各国天文学家都非常重视峰年期的太阳观测，力求捕捉完整的耀斑资料进行形态分析和理论研究，进而了解耀斑的本质。第21周的1979～1982年太阳活动峰年期间，国内外都加强了这方面的工作，成立了“太阳活动峰年”国际组织，实行区域性联合观测，频繁地进行国际间交流，硕果累累。 我国天文学家在此期间记录了不少有价值的耀斑爆发。1981年5月13日、16日，紫金山天文台接连观测拍摄到两起奇异的三级双带耀斑。这种耀斑的研究价值很高，它通常伴随着一般耀斑所没有的高能质子事件，强X射线暴以及强烈的射电暴。也就是说，它比一般耀斑的能量更大，更容易观测到它对地球物理影响的特征。北京天文台还记录了5月16日特大耀斑伴随的很强的射电爆发快速变化，揭示了极为丰富的精细结构和爆发的间接性。 云南天文台在第21周峰年期间发现了20例十分罕见的“无黑子耀斑”。一般来说，耀斑总是出现在以黑子为主体的活动区中，仅有个别耀斑“离群索居”，出现在无黑子区域。云南天文台天文学家的研究表明，尽管无黑子耀斑与一般耀斑大相径庭，但它们都从局部磁场获取能量，因此在物理性质上是一致的。 100多年来，全世界数以百计的天文台总共只记录到40多个白光耀斑，而其中拍摄到光谱的仅3个。1981年9月5日，紫金山天文台拍摄了一个白光耀斑的整套光谱，填补了我国白光耀斑观测的空白，在全世界这是第四次。过去认为白光耀斑是最大最亮的耀斑，而这次观测到的白光耀斑却不大，因此给天文学家提出了一个新的问题：小耀斑怎么会发射出连续光谱？ 自1985年起，我国有关专家学者就着手为第22周太阳峰年期的科学观测和研究积极作准备。1988年起，开始进行太阳物理和地球物理方面的联测，到90年代初，已取得了一批珍贵的资料。从现在的趋势看，第22周峰年的活动水平超过第21周几乎已成定局。峰年来得又早又强烈，使各国太阳和日地物理学家紧张得有点手忙脚乱了。空间研究 地面观测受到诸多限制，耀斑的紫外线和X射线等重要辐射都被地球大气屏蔽了。空间探测为耀斑研究开辟了新的窗口。1973年5月美国成功地发射了“天空实验室”，它是一个载人的空间观测站。在9个月的观测中，它的望远镜、宇航员以及在休斯顿地面总部的太阳物理学家所进行的研究，是迄今对任何天体所作过的研究中组织得最好，配合得最默契的。对1973年6月15日耀斑，从它出现前到闪光和爆发阶段，以至冷却结束，“天空实验室”都做了系统的观测。分析结果表明，耀斑的爆发源是位于日冕中的微小核心，由它发射的高能粒子流沿环形轨道向下运动，一直冲击到太阳表面，耀斑的可见光辐射就是在这个运动过程中产生的，是一种副产品。另外拍摄的耀斑光谱表明，不同谱线增强、达到极大和减弱的时间参差呈现，很有顺序。这些观测事实为美国天文学家斯塔拉克的磁力线再联接产生耀斑的理论，提供了很好的证据。 1980年2月14日，美国发射了一颗主要用于研究太阳耀斑的“太阳峰年使命”卫星。作为太阳峰年国际联测的一部分，地面射电望远镜配合它，提供了比较连续的太阳记时观测记录。在地面科学家的指导下，“太阳峰年使命”卫星对1980年40月30日日面边缘耀斑拍摄了完整的紫外线和X射线光谱，以及硬X射线单色像。对1980年6月7日耀斑记录到一条能量非常高的γ谱线。 日本于1981年2月21日发射了一颗“火鸟”卫星，它载有上乘的观测仪器，并能不断地旋转，可以拍出X光太阳像以及不同波长的光谱。在入轨后的一年零5个月中，共观测到675个耀斑，其中31个有很强的X射线，最强的一个耀斑出现在1982年6月6日，强度为12级，是有史以来记录到的最强的一次。此外，“火鸟”还观测到许多γ射线的耀斑。 为了深入研究耀斑，第22周太阳峰年期间，一些国家还准备发射一些卫星。日本、美国和前苏联联合研制的峰年探测卫星“Solar—A”在1991年下半年发射，俄罗斯准备的CORONAS—I和 CORONAS—F两颗卫星，也分别在1991年和1992年发射。 科学技术的发展，使耀斑的观测和理论日臻完善，但远不能说对耀斑有了完美的认识。世界著名天文学家帕克形象地说过：目前人们所看到的耀斑只是“巨人的一双脚”。为了窥其全貌，天文学家正在不懈地努力着。用历史眼光来看，最终揭开耀斑谜底也许不会是太遥远的事情。 |
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