互动科普

一艘新型的大功率宇宙飞船——太阳与日光层观测器(SOHO)——正在昼夜不停地观测太阳，从而提供关于这颗离人类最近的恒星的新线索。

从远处望去，太阳并未显得特别复杂。对于随便看看它的人来说，太阳只是一个圆滑均一的气球。然而，细致的观察表明，太阳处在不断的骚乱状态中，这一事实是许多根本之秘得以存在的原因。例如，科学家们不知道太阳是如何产生其磁场的，磁场是导致大部分太阳活动其中包括引起太阳磁暴和地球上的停电事件的无法预料的爆炸)的原因。科学家们也不知道为何这种磁力作用会集中在所谓的黑子区，黑子是太阳表面的黑暗的岛状区域，其面积有地球那么大，磁场强度是地球的数千倍。此外，科学家们无法解释太阳的磁活动为何会出现显著的变化，为何会有每11年左右一次的盛衰周期。

为了解答上述问题，同时也是为了更好地预测太阳对地球的作用，1995年12月2日，欧洲空间机构和美国航空航天局联合发射了重达两吨的太阳与日光层观测器(Solar and Heliospheric Observatory,简称SOHO),1996年2月14日，这艘宇宙飞船到达了其永久的战略位置，即所谓的内拉格朗日点，在地球到太阳的路程1%左右的位置上。SOHO在这一位置上取得了地球引力与太阳引力之间的平衡，因此可以和地球一起环绕太阳运行。用于研究太阳的较早的宇宙飞船都是环绕地球运行的，这样就会定期地有碍于其视线。相反，SOHO则持续不断地监测着太阳，其所载的12台仪器始终观测着太阳，其详细程度达到了前所未有的水平。它们每天要将数千幅图像通过美国航空航天局的深空间网络的天线下传到该局的戈达德航天中心(设在马里兰州的格林贝尔特)的SOHO的实验者运行设施(Experimenters operations Facility)。

在实验者运行设施，来自世界各地的太阳物理学家在一起工作着，他们日以继夜地从一间没有窗户的房间对太阳进行观察。他们所收到的许多独特的图象几乎即就转移到了万维网上SOHO的主页(网络地址:http://sohowww.nascom.nasa.gov)。当这些图象最初开始到达时，太阳正处于其11年活动周期的底谷。然而，SOHO带了足够其继续运行10年以上的燃料。

因此，它将在太阳的各个暴烈的季节继续对其进行观察，即从目前的磁活动平静期一直观察到其下一个高峰期，而下一个磁活动高峰期预计将在本世纪未发生。但是SOHO已经提供了一些令人惊奇的发现。

探测不可见的深处

为了了解太阳的活动周期，我们必须探入观察太阳的内部，观察其磁力发生之处。探测这些不可见的深处的一个方法是探查太阳最外面的可见表层，即光球层(光球层的英文词形photosphere来源于希腊文的photos,意为“光”)的进进出出的升降运动。这些波动的幅度可达数十千米高速度可达到每秒数百米，它们是由于声音穿越于太阳内部而产生的。这些声音被关在太阳内部，它们无法通过接近真空的空间传播和扩散。(即使这些声音能够到达地球，也会因为声音太小而无法让人听见。)然而当这些声音撞击太阳表层并反弹回去时，它们会扰动那里的气体，使之以约为5分钟的周期缓慢而又有节奏地上下涌动。

这种由这些声音造成的跳颤的运动是肉眼觉察不到的，然而SOHO的仪器却能定期将其分辨显示出来。两台仪器——米切尔森多普勒成象仪(Michelson Doppler Imager, 简称MDI) 和全球低频率振荡监测器(Global Oscillations at Low Frequencies,简称GOLF)——以优于每秒1毫米的惊人的精确度探测太阳表面的波动速度。第三台仪器则用于探测声波所引起的另一种变化—随着这些波动干扰太阳的光发射区的气体，整个太阳就像一个巨大的频闪放电管一样闪烁。SOHO的太阳红外辐射与重力波动变率监测仪(Variability of solar IRradiance and Gravity Oscillations device。简称“VIRGO ”）用于记录这些强度变化，这些变化只占太阳的平均亮度的微小比例。

太阳表层的彼动是大约1千万个分离的音符(其中每一个音符都有一个独特的传播路径，并代表着太阳内部界限分明的一个区间)所产生的综合效应。因此要探测太阳的全部物理学景观，即从其翻腾的对流带(即按半径计的外侧的28.7%的区域)。一直探测到辐射带和核心，我们就必须精确测定所有音符的音高。

影响每个声音的支配因素是其速度，而速度则取决于声音通过的各个太阳区域的温度和成分。SOHO的科研人员利用一个数值模型计算出预期的声速。然后，他们利用计算机计算结果之间的较小差异和观测到的声速精确调整该数值模型，并确定出太阳在温度、密度和成分上的径向变化。

目前，理论预期值同MDI望远镜观测结果的吻合程度很高，所显示出的最大误差仅为0.2%。事实上，这些误差产生于何处是值得注意的。这些误差暗示，在产生能量的太阳核心的界面以及紧靠对流带的下面，有物质在混合着。

3个多世纪以来，通过观察太阳黑子，天文学家已经知道，太阳赤道一带的光球层的旋转比纬度较高处要快，并且光球层的旋转速度向两极均匀地降低。SOHO的数据进一步证明，光球层旋转的这种有差异的模式贯穿于整个对流带。此外光球层的旋转速度在从一极到另一极的约1/3处变得均匀一致了。因此光球层的旋转速度在对流带的底层有着剧烈的变化。在这里，内部的辐射带(以一个速度旋转)的外侧部分与覆盖在上面的对流带(其赤道中部旋转速度较快)相交。目前。我们推测，这一薄薄的底层的旋转剪切力可能就是产生太阳的磁场的根源。

SOHO所载MDI望远镜也有助于探测太阳的外壳层。由于其镜头远在会使视线模糊不清的地球大气层以外，它能连续分辨很细微的细节，而这在地面却不一定总是能够看清的。由于这个原因，它已证明对于时间-距离日震术特别有用。这是揭示光球层下气体的运动的一种新技术。这种技术简单易行——它是用光学仪器记录下每一分钟从太阳的一百万个点发射出的光的波长的微小周期性变化。通过跟踪探测这些周期性的变化，就可确定声波掠过太阳的外层需要多长时间。声波的这一传播时间能够揭示将太阳的可见表层上的两个点联为一线的内在路径沿线的温度和气体流的状况。若是局部的温度很高，则声波的传播速度较快，这正和声波同气流一起传播时的情况是一样的。

MDI已提供了跨越数千条路径而将无数个太阳表层的点连系起来的声音的传播时间。并且SOHO的科研人员已利用这些数据构建出3维的太阳内部结构图和动态图，这与计算机层析X射线成相术(CT)制作大脑内部图象的方法大致相同。他们将SOHO的数据馈入超级计算机，以求出沿着这些相交的路径的温度和流动方向。经过整整一周的数字计算，计算机制出了最初的显示出太阳内部对流流动速度的图象。这些流动并非像旋转运动一样是全球性的运动，而是一些小规模的似乎彼此独立的运动。虽然如此，其速度仍达到了每秒1千米，比超音速喷气式飞机的速度要快。

为了查看这些流动下潜穿过对流带的情况，MDI研究小组计算了声音向太阳内部运动约8千米的传播时间。该小组的研究人员发现，不出所料这一骚动的区域就像一锅沸水一样，炽热的物质向上升腾，而温度较低的气体则向下沉降，然而，许多这类流动却出人意料地表浅。该研究小组还探测过太阳内部约1400千米深处的水平运动，并将其与一幅叠加的磁图作了对比，这幅磁图也是由MDI的仪器摄制的。他们发现，强烈的磁集聚往往位于表面下的气体流会聚之处。因此，翻腾的气体或许迫使多个磁场聚在一起并使其密度增高，从而克服向外的磁压。而这磁压本应能使这种局部的集聚扩张和分散。

SOHO还在帮助科研人员解释太阳大气即日冕。太阳的清晰的外缘容易使人产生错觉。它只标明了一个范围。超出这一范围，太阳的气体就变成透明的了。不可见的日冕一直扩散到九大行星以外，并造成了太阳物理学机制中最令人迷惑的矛盾之一——它的温度出人意料地高，在光球层之上，温度达到了100万开氏度以上，而太阳的可见表层其温度则仅为5780开氏度。热本不应从温度较低的区域流向温度较高的区域，因而太阳的这种反常现象就违背了热力学第二定律和常识。因此，一定是有某种机制在促使热能从光球层，即从下面向外转移到日冕，而动能和磁能则都能从温度较低区域流向温度较高区域。因此，翻腾的气体和漂移的磁场可能是造成上述反常现象的原因。

为了研究日冕并揭示日冕的令人难以理解的加热机制，物理学家们考察了太阳的紫外辐射（UV），远紫外辐射(EUV)和X射线辐射，之所以这样做，是因为炽热的物质(如日冕内的物质)的大部分能量是以上述波长发出的。此外，太阳白的光球层由于温度太低而不会以上述波长发出强烈的辐射，因此它在炽热的气体下显现为暗的。遗憾的是，太阳发出的紫外线、远紫外线和X射线被地球部分或完全吸收了，因此人们只能通过设在太空的望远镜对它们进行探测。SOHO目前正在利用4台仪器对紫外和远紫外波长的辐射进行探测，它们是远紫外成像望远镜(the Extreme-ultraviolet Imaging Telescope，简称EIT),太阳紫外辐射测量仪(the   Solar Ultraviolet Measurements of Emitted Radiation，简称SUMER), 日冕鉴别摄谱仪( the   Coronal Diagnostic Spectrometer,简称CDS)和紫外日冕仪摄谱仪(the Ultraviolet Coronagraph Spectrometer,简称UVCS)。

为了测绘温度跨度在6000至200万开氏度的整个日面的结构图，SOHO利用了谱线，当太阳的辐射强度以波长的函数显示出来时，谱线就出现了。SOHO所载各种仪器能够确定有着特定温度的区域的方位，其方法是将仪器调节到在该区域形成的离子所发出的谱线上。温度较高的气体中的原子在碰撞过程中会失去较多的电子，因此会变得离子化程度较高。由于这些不同的离子都会以不同的波长发出谱线，它们可以起到一种温度计的作用。我们还可以根据SOHO记录的谱线的多普勒波长变化推断出在这些区域内运动的物质的速度。

紫外辐射最近表明，即使太阳明显地处于其11年活动周期的底谷，它也仍然是活动旺盛而激烈的。这一事实可能有助于解释为何日冕的温度如此之高。整个太阳似乎不断地进发出由局部的亮点发出的紫外光。根据SOHO的探测结果，这些普遍存在的亮点是在100万开氏度的温度下形成的，并且它们似乎是从遍布于整个太阳(包括其南、北两极)的炽热气体的小磁圈中产生出来的。一些这类亮点发生了爆炸，并以每秒数百千米的速度将物质向外猛抛。SOHO科研人员目前正在研究这些亮点，以弄清其是否在令人难以理解的日冕加热机制中起着一种重要的作用。

为了探测太阳大气较高层次的变化，SOHO在依靠其UVCS其大角度光谱日冕仪(LargeAngle Spectroscope COconagraph简称LASCO)。这两台仪器都是利用遮掩面来阻碍光球层的基底强光。LASCO负责探测被日冕中的电子散射的强光，起初，它显示出一个结构单一的日冕，它高度对称而稳定。这一日冕在北部和南部显示出明显的冕洞。

这些延伸部分将物质的温度限制在约200万开氏度，范围则限制在其拉长的磁界面内，从而产生出一个延伸到太阳周围的炽热的气体带。冕流可谓名副其实——物质似乎总在沿着开放的磁场不断地流动，日冕仪下时记录到高密度物质经过在其他情况下不变的冕流，就像观察漂浮在河流上的叶子一样。有时，成为日冕质量抛射的规模巨大的喷射活动会打断这种稳定的向外流活动。这类抛射活动会以美妙数百千米的速度将数十亿吨温度高达百万度的气体抛射到行星际空间。这种气体时常只需2到3天就能到达地球。几乎使人人吃惊的是，LASCO发现，从太阳相对两级的赤道区域发出的抛射活动彼此相差不到几个小时。

SOHO的日冕仪只能提供太阳一侧的图像，因此不能观察流自地球的物质。然而，根据所能观察到的情况，我们推测，这类抛射活动是全球性的扰动，它们发生于整个太阳表层的各个部位。事实上，当太阳发出日冕呈抛射时，太阳上宽广得出人意料的区域似乎都在发生震动，至少在其11年活动周期的底谷是这样。并且日冕仪已探测到，在发生质量抛射之前几天，冕流带的亮度提高了，这就意味着哪里出现了更多的物质。这种增加的物质的压力和张力或许要不断地积聚，直到冕流带以质量抛射形式被重开。整个这一过程极有可能与太阳磁场的大规模全球性重新构建有关。

太阳风及以外

太阳的炽热而多风暴的大气一直在向四面八方扩散，并同时在以永无休止的包含着电子、离子和磁场的气流(即所谓的太阳风)充填整个太阳系。高达百万度的日冕造成了向外的压力，该压力在克服太阳引力的同时，使这种永无休止的向外流动得以形成。随着太阳风逐渐远离太阳，其速度不断加快，就像水溢流出水坝一样。随着日冕的不断扩散，它必须由从下面涌出以馈给太阳风的气体所补充。早期的宇宙飞船以及尤利西斯号(1990年发射)的探测结果表明，太阳风有一种快的和一种慢的组成部分。快的部分的运动速率约为每秒800千米，慢的部分的运动速率则为前者的一半。

尽管至今既无人确切知道速度慢的一部分发源于何处，也没有人真正清楚是什么因素使得速度快的一部分速度加快，但SOHO应能提供答案。慢的一部分与太阳的赤道区域有联系。日前LASCO和UVCS正在对其进行仔细的探查。速度快的一都分不断地从太阳极地的冕洞外涌出。(该区域的开放的磁场使得带电荷的粒子能够从太阳的重力引力和磁引力下逃逸。)SOHO目前正在设法弄清极羽(发源于光球层而延伸入冕洞的高大结构)是否有助于产生这种快速的太阳风。

SOHO的UVCS已探测了日冕受到加热和太阳风加速的区域中氢离子和带大量电荷的氧离子的谱线辐射。并且这些谱线剖面图已经得出了令人惊奇的结果，表明氢离子和氧离子运动的激励速度存在着显著差异。在极地冕洞(快速太阳风发源于此)中，较重的氧离子所受到的激励要大得多，其动能约多60倍左右；在离太阳核心两个太阳半径以上的地方，氧离子的激励速度较大，接近每秒500千米。而氢离子的运动速度约为每秒250千米。相反，在太阳的赤道区域〔慢速太阳风发源于此)，较轻的氢离子的运动速度比氧离子要快，这正如人们根据风受热力驱动所预料的那样。    

研究人员日前正在设法弄清为何质量较大的氧离子能在冕洞中以较快的速度运动。关于加热过程和加速过程的信息或许包含在低密度的冕洞中，那里的离子很少与电子相撞。高密度冕流中的频繁相撞或许会消除相关过程的任何印记。

SOHO所载的另一台仪器——太阳风各向异性探测仪(the Solar Wind ANisotropics，简称SWAN)——负责探测从别处掠过太阳系的星际氢原子。太阳的紫外辐射照亮了这种氢原子，其情形很像一盏街灯照亮了夜晚朦胧的薄雾。太阳风的粒子将这种氢原子撕裂开。由于这个原因，太阳风在所穿过的星际氢云处在其尾流中造成了一个黑暗的空腔。因此，这台仪器所探测到的紫外辉光便勾画出了太阳风的轮廓。迄今为止，这些探侧结果表明，太阳赤道面的太阳风比太阳南、北极上空的太阳风还要强烈。

从地球的角度看

随着人类文明日益依赖于太空中的复杂系统，它在太阳驱使的空间气候面前变得更加脆弱。除了磁暴和电压波动以外，强烈的日冕质量抛射还会引起极地天空中的强烈极光，并会损伤或毁坏地球轨道卫星。称为耀斑的其它强烈爆发则会猛烈抛射出高能粒子，这种粒子会危害宇航员和毁坏卫星的电子设备。若是我们能在这些暴烈的事件发生之前知道太阳的磁活动变化，那么SOHO就能提供保护人类免受其害的早期警报。

事实上，停置在地球外面的SOHO能在这类危险的粒子触及人类之前提取其样品。SOHO的电荷、元素与同位素分析系统(Charge,Element and Isotope Analysis System，简称CELIAS)目前正在探测太阳的稀有元素和同位素的丰度，而这些以前是探测不到的。通过对这两种丰度的比较，我们能获得有关产生太阳风的太阳大气的某些结论。SOHO的另外两台仪器，即过热粒子与高能粒子综合分析仪(the Comprehensive Supra Thermal and Energetic Particle，简称COSTEP)和高能核子与相对论核子及电子实验仪(the Energetic and Relativistic Nuclei and Electron experiment,简称ERNE)，已经获得了逼近地球的甚高能电子、质子和氮核子的直接原地探测结果。上述仪器一直将它们追溯到EIT在太阳附近探测到的猛烈爆发。随着我们进入太阳活动周期的下一个高峰，这类事件肯定将会出现得更多。而随着这类爆发事件开始出现在太阳可见表层以下并穿过太阳大气而影响到地球以及太阳系的其余部分。SOHO将能对其进行跟踪探测。

迄今为止，SOHO已获得了令人惊奇的结果。它已揭示出神秘的太阳的多种特征，这些特征不是以前人类从未见识过，就是从未看得如此清楚。它已提供了对尚未解决的根本问题的全方位新认识，从太阳的内部一直到地球，再到太阳的风所能到达的最遥远的范围。SOHO所载的一些仪器现在随时准备解答太阳的其它几个谜。其中的两台仪器，即GOLF和YIRGO，不久以后将深入持久地探测太阳的振荡活动，其时间之长和范围之深，将足以确定太阳核心的温度和旋转运动。此外，在今后的几年时间内，能够直接影响人类日常生活的太阳内部骚动及相关的磁活动将会加剧。到那时候SOHO应能得出更加伟大的科研成果，应能弄清其危险的爆发活动和炽热的太阳风是如何产生的，或许还能预测太阳大气的形势。

〔郑小石 译 王世德 校〕