书城科普读物科学伴你行——忠诚的地球卫士
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第5章 太阳的奥秘(5)

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(相当于日地平均距离),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,从而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灭绝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,的确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灭绝。譬如,其中主要的有5亿年前的寒武纪灭绝,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灭绝,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灭绝的原因是什么呢?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灭绝。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,为什么物种大规模灭绝带有突发性,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,提出了恐龙灭绝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灭绝。

1984年,美国的两位古生物学者,对地球上物种灭绝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2600万年出现一次灭绝高峰期。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,导致生物的大规模灭绝。

“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激烈的讨论。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公里或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,很容易受到其他天体引力的影响。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许久才被太阳“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100万~500万年,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星空。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,观测上的困难是非常多的。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——生物大规模灭绝的原因。

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%。

据此,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灭绝的周期十分精确。

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。冕的本来意思是礼帽,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,它却是另外一个模样。其中最引人注意的是,日冕中有着大片不规则的暗黑区域,它们并不是很稳定,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,长达好几十万公里。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20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?这个问题一开始并没有得到很确切的解释。

在20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,天文学家们终于找到了根据,因此他们恍然大悟,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”出的带电物质粒子,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

20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做出了贡献。

“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,这些冕洞有多大啊!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,一般可以存在相当于5个太阳自转周期那么长时间,有的甚至达到10个周期以上。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,比黑子长得多呢?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,也很难解释清楚。

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,也可以长到一二个小时。在此期间被抛出的物质少则达数百亿吨,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?还不是很清楚。

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。为什么冕洞不做较差自转?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