书城科普读物探究式科普丛书-炽热气体组成的恒星
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第2章 宇宙的明珠——恒星认识篇(2)

在色球上人们还能够看到许多腾起的火焰,这就是天文上所谓的“日珥”。日珥是迅速变化着的活动现象,一次完整的日珥过程一般为几十分钟。同时,日珥的形状也可说是千姿百态,有的如浮云烟雾,有的似飞瀑喷泉,有的好似一弯拱桥,也有的酷似团团草丛,不胜枚举。天文学家根据形态变化规模的大小和变化速度的快慢将日珥分成宁静日珥、活动日珥和爆发日珥三大类。最为壮观的要属爆发日珥,本来宁静或活动的日珥,有时会突然“怒火冲天”,把气体物质拼命往上抛射,然后回转着返回太阳表面,形成一个环状,所以又称环状日珥。

日冕

在日全食时的短暂瞬间,常常可以看到太阳周围除了绚丽的色球外,还有一大片白里透蓝,柔和美丽的晕光,这就是太阳大气的最外层──日冕。日冕的范围在色球之上,一直延伸到好几个太阳半径的地方。日冕中物质更加稀薄,它还会有向外的膨胀运动,并使得热电离气体粒子连续地从太阳向外流出而形成太阳风。

太阳看起来很平静,实际上无时无刻不在发生剧烈活动。太阳表面和大气层中的活动现象,诸如太阳黑子、耀斑和日冕物质喷发等,会使太阳风大大增强,造成许多地球物理现象,例如极光增多、大气电离层和地磁的变化。太阳活动和太阳风的增强还会严重干扰地球上无线电通信及航天设备的正常工作,使卫星上的精密电子仪器遭受损害,地面电力控制网络发生混乱,甚至可能对航天飞机和空间站中的宇航员生命构成威胁。因此,监测太阳活动和太阳风的强度,适时作出“空间气象”预报,显得越来越重要。

在银河系内一千多亿颗恒星中,太阳只是普通的一员,它位于银河系的对称平面附近,距离银河系中心约2.6 万光年,它一方面绕着银心以250 千米/ 秒的速度旋转,另一方面又相对于周围恒星以197 千米/ 秒的速度朝着织女星附近方向运动。

太阳的年龄约为46 亿年,它还可以继续燃烧约50 亿年。在其存在的最后阶段,太阳中的氦将转变成重元素,太阳的体积也将开始不断膨胀,直至将地球吞没。在经过一亿年的红巨星阶段后,太阳将突然坍缩成一颗白矮星——所有恒星存在的最后阶段。再经历几万亿年,它最终将完全冷却, 然后慢慢地消失在黑暗里。

太阳风暴

在我们的生活中听说过很多关于“风暴”的事例,比如在我国的沿海地区每年夏季都要发生的台风就是一种“风暴”。但是它究竟和我们现在要讲的“风暴”是否一样呢?

其实,“太阳风暴”就是太阳风,它是从太阳的外层大气——日冕中不断发出的、稳定的粒子流,它的主要成分是质子和电子。

这股劲“风”非常快,当它们到达地球轨道附近时,速度还有450 千米/ 秒,粒子的密度约每立方米8×106 个,“温度”高达几十万摄氏度。由于粒子的密度毕竟很低,我们并不担心会被这种“高温”烫伤,但它的强大的电荷作用却是宇航员的大敌。因此,对载人的航天器而言,还是避避风头为妙。在航天专家的眼里,“太阳风”的预报或许比地球上风向的预报更为重要。

太阳黑子

在我国古代《汉书·五行志》中记载着公元前28 年5 月10 日的那天:“日出黄,有黑器,大如钱,居日中央。”后来天文学家考证,这是世界上最早关于黑子的记录。

那么,好好的太阳中怎么就突然多了一块大如钱的黑点呢?

在太阳的光球层上常常可以看到很多黑色斑点,它们叫做“太阳黑子”。太阳黑子在日面上的大小、多少、位置和形态等每天都不同。太阳黑子是光球层物质剧烈运动而形成的局部强磁场区域,也是光球层活动的重要标志。长期观测太阳黑子就会发现, 有的年份黑子多, 有的年份黑子少,有时甚至几天、几十天日面上都没有黑子。天文学家们早就注意到,太阳黑子从最多或最少的年份到下一次最多或最少的年份,大约相隔11 年。也就是说,太阳黑子有平均11 年的活动周期,这也是整个太阳的活动周期。天文学家把太阳黑子最多的年份称之为“太阳活动峰年”,把太阳黑子最少的年份称之为“太阳活动宁静年”。

那黑子为什么是黑的呢?其实,黑子之所以称为黑子,是因为它的温度相对于光球来说比较低,因此显现的颜色和光线较暗,通常光球的温度为6000℃,而黑子的温度则在3845 ℃ ~ 5315℃。黑子虽黑,但将它单独取出,它的光比月亮还要亮!

太阳的温度是很高的,不然我们就不会感觉到它的温暖。但是,存在它内部的黑子为什么会有那么低的温度呢?其实这是个还没有定论的问题。有些人认为,是太阳黑子区的强磁场阻止了太阳深处的热量传到黑子表面,使它温度降低;另一些人认为,通过非辐射方式将黑子区的能量大量传输出去而使黑子温度降低。

天文学家曾经观察到在黑子出现的同时,太阳不但不会变暗,反而会变得比平时还要亮一些,太阳亮度的这种反常的现象怎样解释呢?原来人们观察太阳时,注意力过多地集中在“黑无常”——黑子身上,而忽视了它的兄弟“白无常”——光斑。在黑子大量出现的同时,还出现了许多光斑——黑子附近及太阳表面其他部位远比光球亮的亮斑。它们的亮度足以补偿黑子减弱的光亮,因而造成整个太阳的亮度在黑子增多时反而会变得更亮的奇观。

太阳是离我们最近的恒星,太阳的这种变化会不会给我们的生活带来一定的影响呢?有学者认为,太阳总亮度的变化可能会导致地球大气的明显变化,其长程效应,甚至能导致几百万年后部分物种的灭绝。这是显示日地间密切关系的又一有力证据。所以,观察太阳黑子的活动对于我们人类的生活很有帮助。

太阳耀斑

在太阳活动的范围之内除了有黑子外还有一种叫“耀斑”。

太阳耀斑是一种最剧烈的太阳活动。一般认为发生在色球层中,所以也叫“色球爆发”。其主要观测特征是,日面上突然出现迅速发展的亮斑闪耀,其寿命仅在几分钟到几十分钟之间,亮度上升迅速,下降较慢。特别是在太阳活动峰年,耀斑出现频繁且强度变强。

别看它只是一个亮点,一旦出现,简直就是一次惊天动地的大爆发。

这一增亮释放的能量相当于10 万~100 万次强火山爆发的总能量,或相当于上百亿枚百吨级氢弹的爆炸;而一次较大的耀斑爆发,在一二十分钟内可释放10 千亿~ 25 千亿焦耳的巨大能量,除了日面局部突然增亮的现象外,耀斑更主要表现在从射电波段直到X 射线的辐射通量的突然增强;耀斑所发射的辐射种类繁多,有紫外线、X 射线和γ 射线红外线和射电辐射,还有冲击波和高能粒子流,甚至有能量特高的宇宙射线。

耀斑对地球空间环境造成很大影响。太阳色球层中一声爆炸,地球大气层即刻出现缭绕余音。耀斑爆发时,发出的大量高能粒子到达地球轨道附近时,将会严重危及宇宙飞行器内的宇航员和仪器的安全。当耀斑辐射来到地球附近时,与大气分子发生剧烈碰撞,破坏电离层,使它失去反射无线电电波的功能。无线电通信尤其是短波通信,以及电视台、电台广播,会受到干扰甚至中断。耀斑发射的高能带电粒子流与地球高层大气作用,产生极光,并干扰地球磁场而引起磁暴。

此外,耀斑对气象和水文等方面也有着不同程度的直接或间接影响。正因为如此,人们对耀斑爆发的探测和预报的关切程度与日俱增,且正在努力揭开耀斑迷宫的奥秘。

对此还有一个故事呢!第二次世界大战时期,有一天,德国前线战事吃紧,后方德军司令部报务员布鲁克正在繁忙地操纵无线电台,传达命令。

突然,耳机里的声音没有了。他检查机器,电台完整无损,拨动旋钮,改变频率,仍然无济于事。

结果,前线失去联系,像群龙无首似的陷入一片混乱,战役以失败而告终。布鲁克因此受到军事法庭判处死刑。他仰天呼喊“冤枉!冤枉!”后来查清,这次无线电中断,“罪魁祸首”是耀斑。布鲁克的死实在冤枉。他的死在于人们当时对耀斑还不了解。

日全食

在很小的时候我们就听大人们讲过关于日全食的故事。传说是什么怪物把太阳给吃了,所以人们要敲锣打鼓地去把太阳给要回来。

当然,这是由于当时人们对天象还不了解,对于一些奇怪的自然现象就会用神话故事来解释。现在,我们大家可能对于日全食都不陌生了,但是,你知道更多关于它的秘密吗?

日食现象是当月球绕地球转到太阳和地球中间时,如果太阳、月球、地球三者正好排成或接近一条直线,月球就会挡住了射到地球上去的太阳光,月球身后的黑影正好落到地球上,这时就会发生日食现象。发生日食的时间必定在“朔日”,也就是农历初一。

每年日食最多出现五次,如果出现五次,那么一定都是偏食。

地球上每年至少有二次日食。在南北极地区只能看到日偏食。日全食大约一年半发生一次。每次日食都是在日出时从某一点开始,然后沿着日食带在日没时结束。从开始点到结束点大约绕地球半圈。

一次日全食的过程可以包括以下五个时期:初亏、食既、食甚、生光、复圆。

太阳帆

在生活中我们见过千帆竞发、百舸争流的情景,那你想过这种场面发生在太空中的样子吗?其实,这种情况正在太空中发生着,它不是借风力而行,而是靠太阳。

太阳帆是利用太阳光的光压进行宇宙航行的一种航天器。由于这种推力很小,所以航天器不能从地面起飞,但在没有空气阻力存在的太空,这种小小的推力仍然能为有足够帆面面积的太阳帆提供加速度的能力。如先用火箭把太阳帆送入低轨道,则凭借太阳光压的加速,它可以从低轨道升到高轨道,甚至加速到第二、第三宇宙速度,飞离地球,飞离太阳系。如果帆面直径为300 米,可把0.5吨质量的航天器在200 多天内送到火星;如果直径大到2000 米,可使5 吨质量的航天器飞出太阳系。

着名天文学家开普勒在400 年前就曾设想不要携带任何能源,仅仅依靠太阳光能就可使宇宙帆船驰骋太空。但太阳帆飞船这一概念到20 世纪20 年代才明晰起来。

1924 年,俄罗斯航天事业的先驱康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基和他同事弗里德里希·灿德尔明确提出“用照到很薄的巨大反射镜上的阳光所产生的推力获得宇宙速度”。因此,灿德尔首先提出了太阳帆:一种包在硬质塑料上的超薄金属帆的设想,成为今天建造太阳帆的基础。

世界上第一艘太阳帆宇宙飞船于2005 年英国夏令时21 日20 时46 分( 北京时间22 日4 时46 分) 发射升空,但发射约20 分钟后地面控制站突然接收到混乱信号,此后就与飞船失去了联系。此艘太阳帆宇宙飞船被命名为“宇宙一号”。

此后,直到2010 年8 月,日本人才研制了太阳帆升空并进行170 千米高的短暂亚轨道实验,打开了两个长约10 米的树脂薄膜帆板,检验了光帆展开的可行性,之后火箭和光帆坠入大海。美国航宇局目前也在进行太阳帆飞船的研究,并为选择太阳帆的制造材料进行了大量测试工作,还探讨了如何发射以及太阳帆在太空怎样展开等问题。美国2010 年成行的太阳帆飞船将历经15 年以上的航程, 飞行37 亿千米直到太阳系边缘。

科学家们认为,“太阳帆”飞船可能是人类星际旅行的唯一希望,因为以太阳光作为动力,可减少宇宙飞船携带的大量燃料,增加其机动性范围,使其在太空停留更长的时间,而且只要有阳光存在的地方,它就会不断获得动力加速飞行。太阳帆代表了人类未来太空飞行的技术,如果这次试验能够成功,它将为开发新型宇宙发动机方向迈出重要一步。人类未来完全可以利用太阳帆从事深空探索,并给人类的太空旅行带来一场新的革命。

2. 离太阳最近的恒星——比邻星

比邻星, 离太阳最近的一颗恒星,是聚星之一,位于半人马座。

比邻星离太阳只有422 光年,相当于约4 万亿千米。从地球看来,位于西南方向2 度的位置,为一颗红矮星。如果用最快的宇宙飞船,到比邻星去旅行的话,来回就得17 万年。可想而知,宇宙之大,虽说是比邻也远在天涯。

上图影像中央这颗小小的红色红星就是比邻星,它是如此的昏暗,直到1915 年才由当时约翰内斯堡联合天文台的主管罗伯特·因尼斯在南非发现。影像的背景里可以见到我们银河系里各式各样的恒星。

与其他恒星相比,通常红矮星的亮度都很弱,以肉眼观测是看不见的,比邻星也不例外。它的视星等是11 等,绝对星等是非常弱的155 等。如果从半人马座α 三合星的其他两个星观测,将是45 等星。

虽然说比邻星是离我们较近的恒星,但它究竟离我们有多远呢?

欧洲天文卫星测量的视差是按77233±242 毫角秒推算,比邻星离地球距离大约是4.22 光年,或者27×105 个天文单位(1 个天文单位约合15 亿千米,为地球到太阳的平均距离)。离它最近的邻居依序为:半人马座α 三合星的其他两颗星、太阳和巴纳德星。

另外,用欧南天文台在智利的超大望远镜,在2002年以光学干涉测量得到比邻星的角直径为102±008 毫角秒。通过已知的距离,推算实际直径大约是太阳的1/7,或者木星的15 倍。它的质量也大约是太阳的1/8,或者木星的150 倍。