探索太阳内部的震荡：科学家发现太阳秘密

2023-08-14 理论教育版权反馈

【摘要】：太阳内部我们更是无法直接看到，而所谓的太阳振荡即日震，它的发现无异于为科学家们送来了一具可“窃听”太阳内部深处的听诊器，各国科学家立即对之表现出巨大的兴趣。不过，在相当一段时期里，有人怀疑太阳的160分钟振荡是否与地球大气抖动有关。以160分钟为周期的太阳整体振荡得到确认，它确实来自于太阳本身。有意思的是，另一批美国科学家从水星的运动中，也发现了太阳的振荡现象。

“地震”这个名词，我们都是很熟悉的。“月震”，也并不太生疏，它是月壳的一种不稳定现象。1969年，美国“阿波罗11号”飞船的宇航员在月面上装置了第一台月震仪之后，记录到每天平均约有一次月震，而且都是很微弱的。

太阳有“日震”吗？有。日震极为复杂，规模宏伟壮观，景象惊心动魄，地震根本无法与之相比。日震最初是在1960年被美国天文学家莱顿发现的。他在研究太阳表面气体运动时，发现它们竟是像心脏那样来回跳动，气体从太阳面上快速垂直上升，随后再降落下来，一胀一缩地在振荡着。一些地方的气体急剧振荡几次之后，好像跑得很急之后的喘口气那样缓和一段时间，接着又开始新的一轮振荡。这种振荡平均每5分钟（精确地说，应该是296±3秒）周期性地上下起伏重复一次，被称做“5分钟振荡”。

进一步的观测研究表明，在一次振荡中，气体上下起伏的范围可以达到好几十公里，这对于直径达139万多公里的太阳来说，自然算不了什么。使人惊讶的是，发生振荡的不是太阳面上的一小片区域，而是在成千上万、甚至好几十万平方公里的范围内，气体物质联成一片，好像在同一声口令下同起同落。并且在任何一个时刻，太阳面上都有约2／3左右的地方在作这种有规律的振荡。如此大面积的振荡真可以说是蔚为奇观，请你想一想，比地球大好几倍的一片火海，其上火舌瞬息万变，火“波”汹涌澎湃，一忽儿上升，一忽儿又很快下降，最生动的笔恐怕也难确切地描述其全貌。

5分钟振荡的发现是天文学、特别是太阳物理研究中的一件大事，有着划时代的意义。

我们知道，科学家对地震波进行研究之后，才得以了解地球内部结构，我们现在掌握的这方面知识，几乎都是这样得来的。太阳内部我们更是无法直接看到，而所谓的太阳振荡即日震，它的发现无异于为科学家们送来了一具可“窃听”太阳内部深处的听诊器，各国科学家立即对之表现出巨大的兴趣。

譬如说：太阳大气层最靠里面的那一层叫光球，它也就是我们平常看到的太阳表面层。在光球下面的是对流层，这是很重要的一层，它起着承内启外的作用。可是，我们无法看到它。而根据对5分钟振荡的观测和有关理论，我们相信，对流层的厚度大体上是20万公里。当然，也有人认为对流层只是很薄的一层。

太阳的5分钟振荡一般被看作是太阳大气中的现象，那么，是否可能它也是周期更长的太阳整体振荡的组成部分呢？

从本世纪70年代开始，一些科学家设法寻找频率更低、周期更长的太阳整体振荡。1976年，前苏联克里米亚天体物理天文台的科学家们在研究光球层时，发现太阳表面存在着一种重要的振荡，周期是160分钟，每次振荡太阳都增大约10公里，随后又恢复到原先的状态。

前苏联科学家的发现很快由美国斯坦福大学的一批研究人员予以证实。

后来，人们从前苏联和美国的资料中，进一步得出更精确的周期为160．01分。不过，在相当一段时期里，有人怀疑太阳的160分钟振荡是否与地球大气抖动有关。法国和美国的一个联合观测小组，成功地在南极进行了长达128小时的连续观测之后，最终把怀疑排除了。地球北半球是冬季时，南半球是夏季，南极是极昼，即24小时太阳都在天空中，连续观测中就不存在大气周日活动的影响问题。以160分钟为周期的太阳整体振荡得到确认，它确实来自于太阳本身。

在研究5分钟振荡等的时候，科学家们出乎意料地发现，它们竟然还可以分解为上百个长短不等的小周期，短的只3分钟，长的有3小时。这些五花八门的小周期叠加在一起，真有点使人眼花缭乱，它们之间究竟有些什么内在的联系？或者这些错综复杂的小周期预示着什么？现在确实还无可奉告。

本世纪60年代，美国科学家迪克发现太阳并非是个圆气体球，它的两极略扁，赤道部分则略微凸起。1983年，迪克本人的观测结果表明，太阳的形状并非固定不变，它的扁率发生周期振动，周期是12．64天。

有意思的是，另一批美国科学家从水星的运动中，也发现了太阳的振荡现象。1982年，美国高空观测研究所等单位的研究人员，收集了从18世纪以来的、长达265年的水星绕太阳运动的资料，以及好几十组日食发生时间的数据。综合分析的结论是：太阳直径又胀又落，像是个一忽儿充满气，一忽儿又放掉了点气的大皮球，这种被他们称为“太阳颤抖”的振荡现象的周期，被定为76年，最大的变化率可以达到0．8角秒。

近些年来，有人从44520个太阳黑子数的分析中，得出其峰值有12．07天的周期。也有人从太阳自转速度随纬度高低而不同的所谓“较差自转”中，导出16．7天的周期。此外，还有人认为存在着好几个7～50分钟的周期；160～370分钟周期范围内，也还存在着太阳整体振荡，等等。

日食记载也为此提供了新论据。一些科学家详细研究了8次日全食的资料，其中最早的一次是1715年5月3日在英国可见的日全食，最晚的一次发生在1984年5月31日。分析得出：269年间，太阳直径有类似脉搏跳动那样的振动现象，周期不详，但总的说来变化不算大，只有1．24角秒，大致是太阳角直径的1／1600。

研究和探测太阳内部结构是天文学家们长期的重要课题，也是很难顺利展开的课题。已经建立起来的理论和假说，有的未能通过实践的检验，有的显露出很大的缺陷，这类事情常有发生。正当科学家们一筹莫展、陷入重重困难的时候，日震被发现了，他们怎能不喜上眉梢呢！

在不算长的几十年时期内，日震学已显示出其强大的生命力，太阳的内部结构，各层次的温度、压力、密度、化学组成、自转和运动情况等等，无不通过太阳振动的研究而获得了大量前所未知的信息。说实在的，这些信息对于建立和完善已有理论，譬如黑子是怎么产生的、黑子周期的本质等，都是必不可少的。科学家们相信，日震与地震的某些性质应该或可能有相似之处，运用我们已掌握的对地震波的研究成果，再经过相当时间的观测和探索，我们一定会越来越深入地认识我们的这个太阳，再扩大一步来说，乃至其他恒星。

我们也不必讳言，到目前为止，太阳整体振荡为我们解决的问题只是初步的，还远没有它提出的问题那么多。太阳整体振荡是怎么产生的？从各种不同角度导出的种种周期与整体振荡是什么关系？各种周期之间又是什么关系？这些都还是未知数。

如果把太阳振荡比作是一条走向探知太阳内部的康庄大道的话，那么，我们才刚踏上征程，大量的开拓工作还在后头。

探索太阳内部的震荡：科学家发现太阳秘密

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