太阳黑子的发现

蔡呈腾

（温州市第二外国语学校， 浙江 温州 325000）

太阳黑子的发现

蔡呈腾

（温州市第二外国语学校， 浙江 温州 325000）

发现太阳黑子及其活动规律的过程漫长而艰辛。中国汉代时就有对太阳黑子的记录，其后，天文望远镜的出现，使太阳黑子及其活动规律被发现成为可能。这其中，哈里奥特、法布里休斯、伽利略、施瓦布、沃尔夫、卡林顿、斯波勒、蒙德夫妇、海尔等人都作出了重要贡献。

太阳黑子；活动规律

太阳大气层里一切活动现象总称为太阳活动。太阳活动主要有太阳黑子、光斑、谱斑、耀斑、日珥和日冕瞬变事件等。相对来说，太阳黑子是最典型的太阳活动。太阳黑子实质上不是太阳大气层中出现黑色，而是指相对周围来说，温度较低的部分，所以对比看起来成为“黑子”（见图1）。现代科学研究表明，有大群黑子出现时（称为太阳黑子的峰年），会出现磁暴现象，造成地球上的指南针会乱抖动而不能正确指示方向、干扰电磁场、影响电磁波等，甚至使无线电通讯受到阻碍或中断；同时，太阳黑子峰年时，地球上气候会变得干燥，而太阳黑子处于谷年时则气候潮湿，甚至暴雨成灾；太阳黑子也与地震有关，据统计，当太阳黑子数目增多时，地球上的地震也会增加；另外，植物学家也发现，树木的生长情况也随着太阳黑子活动的周期性变化而变化，太阳黑子多的年份，树木生长得快。经过科学统计，太阳黑子活动的周期约为11年。

图1　太阳黑子

人类对太阳黑子的认识由来已久，但并非一开始就有很科学的认识。在天文望远镜被发明之前，人们只能依靠肉眼去观察太阳，但是肉眼直接观察太阳，这是非常危险的行为，很有可能会使人失明。除此之外，在古代的欧洲，古希腊先哲亚里士多德（前384～前322年）的宇宙观是：天体是永恒不变的和完美无缺的。这种宇宙观念被基督教神学所利用，认为上帝创造的日月星辰，肯定是完美的。太阳“是一只满装着上天光辉的容器，从太阳被创生的一刹那起，它从来未曾发生过变化，而且在未来的任何一个时刻，太阳也不会发生变化，直到上帝乐于把它引向终结的时候为止”。这种思想成为整个欧洲中世纪禁锢科学思想的精神枷锁，束缚了人们科学的理性发展。在这种思想观念支配下，即便人们用肉眼看到了太阳黑子，也以为这是一种错觉。因此，在欧洲漫长的历史中，关于肉眼观察太阳黑子的记录只有8条，而且这8条记录也非常简单，其中最早的记录出现在公元前300年左右的古希腊泰奥弗拉斯托斯（约前372～前286年，古希腊哲学家和科学家，先后受教于柏拉图和亚里士多德，后来接替亚里士多德，领导其“逍遥学派”，以《植物志》《植物之生成》《论石》《人物志》等作品传世）。相比来说，中国古代肉眼观察太阳黑子的记录要多了许多。仅仅统计中国古代的正史，关于太阳黑子就有100多次的记录。

目前，被公认为世界上第一次确切记载太阳黑子观察记录的，是公元前28年我国汉朝人所观测到的，正史《汉书·五行志》里记载：“成帝河平元年三月乙未（据考证，应为‘己未’），日出黄，有黑气，大如钱，居日中央”。这是记载公元前28年5月10日的太阳，这里的“有黑气，大如钱”就是指太阳黑子和它的大小。其实，我们有其他证据说明，中国古代记载太阳黑子的历史还要早得多。成书于西周的中国哲学著作《周易》中就有“日中见斗”，一些人认为“日中见斗”中的“斗”就是太阳黑子，只是西周人还没有这样的认识。

在欧洲，公元807年3月17日，本尼迪克特的僧侣Adelmus观察到一颗肉眼可见的太阳黑子，持续了8天，但是Adelmus错误地认为观测到的是水星凌日（即水星运行到太阳与地球之间）的现象。当法兰克王国国王查理曼（742～814年，查理大帝，他建立了囊括西欧大部分地区的庞大帝国，被后世尊称为“欧洲之父”）逝世时的公元814年1月28日，太阳也出现了大黑子。英格兰伍斯特郡的约翰也描述了1129年的黑子活动。当然欧洲文献中还有其他关于太阳黑子被观察到的一些记录和描述。但是，这些观察到的现象都被误解为是“行星凌日”。

真正对太阳黑子的观测，当然是天文望远镜出现以后。1610年后期，英国天文学家、数学家、翻译家托马斯·哈里奥特（Thomas Harriot，1560～1621年）、法里孙群岛（荷兰、德国和丹麦海岸的链状岛群）的约·法布里休斯（Fabricius Johannes，1587～约1615年，荷兰籍天文学家）和他的父亲大卫·法布里奇乌斯（David Fabricius，1564～1617年，德籍牧师、天文学家）首先使用望远镜观测了太阳黑子，并在1611年6月提出了报告（法布里奇乌斯父子都是天文学家，但命运悲惨，儿子去世两年后，老法布里奇乌斯也被暗杀身亡）。1610年近年底的时候，著名天文学家伽利略（1564～1642年）利用他自制的天文望远镜，在落日的烟雾中观测太阳，每一次观测时，他都在日轮上看到了暗色的斑点（有人认为，伽利略的失眠就是这时用天文望远镜观察太阳后造成的，这是严重的误传。此时的伽利略虽已46岁，但视力正常。伽利略失眠那是再过24年以后的事。但是，直接用肉眼观察太阳，或者没有加以防护用天文望远镜直接观测太阳，都极有可能造成对视力的不可逆转性损伤，甚至失明）。1611年，伽利略观察到太阳黑子及其运动，并对比了太阳黑子的运动规律和圆运动的投影原理，论证了太阳黑子是在太阳表面上的（见图2）。1613年，伽利略发表了《关于太阳黑子的书信》。

图2　伽利略记录的移动的太阳黑子

同一时期，德国天文学家克里斯托弗·沙伊纳（Christopher Scheiner，1575～1650年）也利用自制改良后的天文望远镜观测了太阳黑子。克里斯托弗·沙伊纳是一名耶稣会会士。欧洲的耶稣会信奉以亚里士多德的哲学观改造后的神学，亚里士多德都没有提到过太阳表面还有什么斑点。所以当沙伊纳的上级听说了此事后，就非常严肃地警告沙伊纳不要过于相信这种观测结果，不要太当一回事。但沙伊纳没有听从上级的“劝告”，通过匿名的形式发表了他的观测结果，解释说那种斑点是绕太阳作轨道运行的小星体，而不是太阳的组成部分。从沙伊纳对观测结果的解释上来看，他还是亚里斯多德忠诚的信徒，还是认为太阳是完美无缺的。

我们现在无从可考，到底是伽利略还是克里斯托弗·沙伊纳见过约·法布里休斯的论文《论太阳黑子和黑子围绕太阳的视运动》，但他们之间争夺发现太阳黑子的优先权，却成为科学史上的一段公案。

1610年起，伽利略结束了在帕多瓦大学任教18年的教授生涯，移居佛罗伦萨，任托斯卡纳大公爵的首席哲学家和数学家。此时的伽利略虽已步入不惑之年，但对科学的激情不减当年。早在比萨大学任教的3年（1589～1591年），伽利略就因为他的年轻、好激辩、“思想异端”而成为同僚们排挤的对象，也成为大家抨击的对象。而今，面对有人与自己争发现太阳黑子优先权之功，特别是对太阳黑子的认识还与自己不同，伽利略不能“忍受”这样的事情。所以他就充分发挥了他的天才讽刺语言，对克里斯托弗·沙伊纳进行了无情的嘲讽，也牵连到对耶稣会的“攻击”。伽利略的这种行为，无疑得罪了耶稣会，加剧了他与宗教法庭之间的裂痕。伽利略坚持认为，他对太阳黑子的观测比沙伊纳更早，同时也嘲笑了关于太阳黑子不是太阳组成部分的观点。现在看来，伽利略的观点当然是正确的，因为他充分利用理性分析，根据太阳两边的黑色斑点移动得比较缓慢，这是按照透视法被缩小了的缘故。因而伽利略推断这些斑点是太阳表面的组成部分，这些斑点的移动就是太阳根据自转轴以27天为周期发生旋转的结果。对这样的认识，无疑对“上帝创造的完美太阳”是一个无情的打击：原来太阳也是有缺陷啊！这让教会宣扬的教义情何以堪？这让教会还怎么领导人们的信仰？伽利略的发现与认识，使当时的宗教权贵们恼羞成怒，虽然他有托斯卡纳大公爵的庇护，虽然他与后来成为教皇乌尔班八世（1623～1644年在位）的红衣主教马菲里奥·巴尔贝里尼（1568～1644年，出身于意大利豪门巴尔贝里尼家族）是好朋友，但他得罪的是整个教会体系，他的科学结论已经成为教会合理存在的最大绊脚石，最终当然难以逃脱被审判、监禁，并在贫病中老死女儿家中。

自伽利略发现太阳黑子之后的160多年时间里，很少有科学家大张旗鼓地宣扬他们关于太阳黑子的观测研究成果，只是不同的天文学家偶然提及讨论一下太阳黑子到底有没有存在，认为真的存在的，也画一画它的草图，但都不值一提了。

到了1774年，苏格兰天文学家Alexander Wilson对太阳黑子投入了极大的关注。他注意到一颗巨大的太阳黑子正向着太阳边缘靠近。他对太阳黑子提出了诸多设想，比如太阳黑子暗淡的界面像火山口内表面一样是倾斜的、太阳黑子的黑暗中心是个孔洞延伸到太阳的内部等。这个观点在1795年被后来当选为第一任英国皇家天文学家会长、也是当时最重要的天文学家弗雷德里克·威廉·赫歇尔（William Herschel，1738～1822年）所采纳。赫歇尔认为，太阳是个不发光的冷物体，有一层燃烧着的气体包围着它。如果按照赫歇尔的这种观点，太阳黑子就是一些孔洞，通过这些孔洞可以看到太阳内部冷的物体。现在看来，这种观点是错误的，因为太阳发光的表面是整个太阳温度最低的部分，太阳中心温度达到15 000 000℃。当然，这些知识到20世纪才被人类认识。

虽然，威廉·赫歇尔对太阳黑子的认识是错误的，但他关于太阳黑子的研究引起了许多人的兴趣。比如德国药剂师、业余天文学家海因里希·塞缪尔·施瓦布（Heinrich Samuel Schwabe，1789～1875年）就对发现太阳黑子作出了重要的贡献。威廉·赫歇尔曾经发现了天王星，这让当时许多天文学家“惹红了眼”，也纷纷投入到发现行星的工作中去，梦想自己也能发现一颗未知的行星。施瓦布也不例外。当时科学家根据牛顿力学理论，推导出在水星与太阳之间还有一颗行星，但因它距太阳很近，以致极难观察到它的存在，不过这颗行星（科学家给这颗行星命名为“祝融星”）肯定会通过太阳和地球之间，这样，只要注视太阳表面，等待着它的出现就可以了。假如在注视太阳时，发现了这个斑点，那么它应该是一个圆饼状的物体（太阳黑子不可能是正圆形的），也要排除是水星、金星的可能（即“祝融星”出现在太阳上时，水星和金星都在其他位置上）。这样抱着一个发现行星的想法，让施瓦布从1825开始，花费了17年的时间观测太阳。虽然没有发现什么新行星，但17年对太阳黑子的观测记录，足以让他找到了太阳黑子出现的规律。1843年，施瓦布宣布，太阳黑子的出现是有规律可循的：太阳黑子从一个峰值到另一个峰值的时间长度大约是10年。在著名的德国科学家亚历山大·冯·洪堡（Alexander Von Homboldt，1769～1859年）于1851年倾其毕生之功力撰写的大著作《宇宙》一书中提到了这件事前，施瓦布的发现根本无人问津。但由于洪堡《宇宙》的盛名，施瓦布的发现也被人们所认识，终于在1857年，荣获英国皇家天文学会金质奖章。这也算是主流科学界对施瓦布在太阳黑子观测方面所做贡献的肯定。

1851年前后，德国天文学家和物理学家约翰·冯·拉蒙特（Johann Von Lamont，1805～1879年）正在苏格兰测量地球的磁场强度时，发现地球磁场有规则起伏的现象（周期为10年）。1852年，爱尔兰天文学家、地球物理学家、鸟类学家、探险家和第30届英国皇家学会会长爱德华·萨宾（Edward Sabine，1788～1883年）指出，地球磁场强度和太阳黑子周期同时地增大和减小，这现象使得人们很容易联想到太阳黑子对地球磁场产生影响。其后，科学家带着浓厚的兴趣继续去发现太阳黑子的活动规律。

1843年，当海因里希·塞缪尔·施瓦布宣布他关于太阳黑子的观测结果时，时任瑞士伯尔尼天文台台长的鲁道夫·沃尔夫（Rudolf wolf，1816～1893年）阅读了施瓦布的论文后，开始用天文望远镜观测太阳黑子。鲁道夫·沃尔夫除了自己观察太阳黑子收集资料外，还认真搜集整理包括伽利略及其他人观测太阳黑子留下的资料。经过整理发现，从1749年开始的每日太阳黑子数记录数据和从1610年开始的太阳黑子记录数年平均值数据可供研究使用。沃尔夫在搜集整理太阳黑子观测资料的过程中，为使不同观测台站以及不同人的太阳黑子观测资料具有可比性，于1848年提出了太阳黑子相对数的概念。沃尔夫经过几年的仔细观测和精心资料整理，发现太阳黑子数变化周期平均值为11．1年，最短为9年，最长为14年，不同周期之间黑子数的变化也非常明显。1849年，鲁道夫·沃尔夫推导出来的一个公式，可每年都得出一个被表示为“苏黎世太阳黑子数”的结果（鲁道夫·沃尔夫是苏黎世人）。到1852年，鲁道夫·沃尔夫发现地磁活动、极光与太阳活动有关。鲁道夫·沃尔夫还提出，将太阳黑子数从一个极小值到另一个极小值之间的事件定为一个周期，并将1755年到1766年的周期定为第一个太阳活动周（见图3）。

其后，关于太阳黑子的研究越来越深入，主要是围绕太阳黑子活动对地球的影响进行的。

在听说了海因里希·塞缪尔·施瓦布关于太阳黑子的研究之后，从1852年开始，英国业余天文学家理查·克里斯多福·卡林顿（Richard Christopher Carrington，1826～1875年）白天观测太阳，夜晚观测星星，夜以继日勤奋工作。他的努力得到了很好的回报，观测研究成果包括：确定了太阳自转轴、发现了太阳的较差自转现象、首次发现了太阳耀斑现象、发现太阳黑子随太阳活动周的进展逐渐向赤道迁移的规律，后来太阳活动周被称为卡林顿太阳活动周，如2002年太阳黑子达到极大值是第23卡林顿周期。

图3　太阳黑子相对数变化曲线

跟卡林顿几乎同时进行太阳黑子周期规律研究的是德国天文学家古斯塔夫·斯波勒（Gustav Spoerer，1822～1895年），他们分别独自研究太阳黑子周期规律，但取得的成果是“异曲同工”的。古斯塔夫·斯波勒经过长期对太阳的观测发现：在新的太阳活动周开始时，黑子群出现的位置分别在南北半球纬度30°附近；随着太阳活动周的进展，黑子群出现的纬度位置逐渐向赤道靠近；在太阳活动极大年附近，黑子群一般出现在15°附近；在太阳活动周的末尾，黑子群一般出现在8°附近；在每个太阳活动周即将结束时，新周期的黑子群已开始在高纬度出现，旧太阳活动周的黑子群仍在低纬度出现；新周期和旧周期黑子群同时出现的局面大约可持续一年左右的时间。太阳黑子出现纬度位置随太阳活动周发展而变化的规律，被称为斯波勒定律。1885年，古斯塔夫·斯波勒因为对太阳黑子的工作，被法国科学院授予瓦尔兹奖。

英国天文学家爱德华·沃尔特·蒙德（Edward Walter Maunder，1851～1928年）和他的第二任妻子安妮·蒙德（Annie Maunder，英国皇家天文学会第一位女性会员）经过二十多年的精心观测，于1904年将观测数据绘制成图，以时间为横坐标，以黑子群出现的纬度为纵坐标，得到了能够形象展示斯波勒定律的“蒙德蝴蝶图”：多个太阳活动周的黑子群出现位置分布的变化就像一队展翅飞翔的蝴蝶（见图4）。

图4　蒙德蝴蝶图

被称为“现代太阳观测天文学之父”的美国著名天文学家乔治·埃勒里·海尔（George Ellery Hale，1868～1938年，见图5），当他还是麻省理工学院大学生时，便已发明了太阳单色光照相仪，并利用它首次测得了太阳黑子的磁场。太阳黑子经常成对出现，并随着太阳自东向西自转，习惯上将西边的称为前导黑子，东边的称为后随黑子。海尔发现它们的磁场极性总是相反的，所以又称为双极黑子。经过了十多年的观测后，海尔又发现在同一个11年太阳活动周期内，太阳南半球或北半球同一个半球中，所有双极黑子的磁场极性分布都相同。而太阳南北两个半球前导、后随黑子的磁场极性分布相反。而且当下一个11年活动周来临后，太阳南北两个半球的双极黑子的磁场极性发生对换。因此按照这个黑子磁场变换规律，太阳黑子变化一个完整的周期需要大约22年，这就是所谓的太阳活动的海尔定律。

图5　乔治·埃勒里·海尔

如今，人类已经发现了太阳黑子是确实存在的，也大致知道了它的活动规律，但要全面认识太阳黑子，还有许多地方值得我们去研究。科学家也正在不断深入研究太阳黑子变化规律，以期更全面地认识与我们生息与共的太阳。