活跃的炽热星球

中国的天文学家早在公元前800年就记录下太阳黑子的活动情况。亚里士多德曾认为这实际上是办不到的。到了17世纪30年代，伽利略用他发明的望远镜对太阳黑子的观察记录，被当时的宗教法庭谴责为异端邪说。数百年来，天文学家记录到像奇异的黑色花朵展现在太阳表面，并在若干天后逐渐消失的太阳黑子。尽管我们知道太阳黑子的活动以大约11年为一个周期增强和减弱，但是什么驾驭着这个不停息的模式，依然是个未解之谜。

目前，位于科罗拉多州的美国国家大气研究中心的高地平纬度天文台的研究人员认为：关键就在于拖曳着极大部分的磁场一起在太阳的赤道和两极间循环的气流。美国国家大气研究中心的梅逊米 · 戴克帕迪（Mausumi Dikpati）和她的同事把这种气流经过计算机模拟后得到上述结果，以此解释太阳黑子的活动状态。而且，戴克帕迪和她的同事认为，她们或许不久就能预报今后20多年太阳黑子的活动状态。

太阳黑子不光是奇特，通过它还可了解太阳的活动状态。持续数天的太阳黑子群不时出现在赤道附近，巨大的太阳风暴把大量的带电粒子喷发物投向太空。当爆发的粒子掠过时，这种爆发会对地面上的通讯系统造成严重的干扰。2002年，巨大的太阳黑子爆发曾一度切断日本发射的“希望号”太空探测器与地面的联系。

当太阳平静时，很少有太阳黑子出现，然而即使这种平静的时期，对地面也显示影响。始于1645年的蒙德极小期期间，有70年没有记录到太阳黑子的活动，当时地球实际上经受了一段时间的持续寒冷的天气——超短冰期。这就使一些气候模型制作者感到，气候与太阳活动状态的联系可能比我们想象的还要紧密。

太阳按照似乎与太阳黑子活动性的极大和极小相一致的活动周期，每11年左右，就发脾气达到极点。这个周期并不是一成不变的。有时太阳黑子爆发的时间间隔可短至9年，有时又可长达14年。

迄今为止，还没有人能解释这一变化。我们都肯定知道，太阳黑子是太阳的综合磁场的显示。

跟地球一样，太阳也有南北磁极，尽管其磁场强度要比地球强数百倍。然而早在1908年，美国天体物理学家G · 海尔的观测就表明，太阳黑子的磁场还要强3000倍左右。这种磁场的集中是由太阳旋转的方式所引起的。太阳不是一个坚硬的球，而是一个等离子体——气体原子在高温下电离成带负电的电子和带正电的离子——的球。这就使得太阳的不同纬度以不同的速度旋转。例如，赤道完成一次旋转需26天，而靠近两极的地区需时要长若干天。

等离子体中移动的电荷会产生磁场，恰似电流流过电线一样。差动旋转会造成磁场的畸变，最终引起磁力线自相缠绕。在深入表面内部20万公里、称作辐射圈的太阳内层与称作对流圈的周围层之间的界线处，此种作用最为强烈。

我们已经知道，磁力线互相缠绕，磁场便会变强。最终它就变得不稳定，部分盘绕着的磁场会散开，使磁场的环像充满水的胶皮管穿过太阳内部飘起来。磁环穿透太阳外壳（光球层）的两处便形成太阳黑子。这些地方是磁力线聚集的地方，因而太阳黑子有强烈的磁性。

太阳黑子不光是在光球层某些位置随机出现。在太阳活动周期之初，太阳黑子出现在赤道两边30度两条纬线附近。随着循环的进行，出现太阳黑子的区域就慢慢靠近赤道。但没有人知道为什么会这样，一定还有其他的奥秘。为何太阳的活动在有些太阳活动周期比另一些要强烈？由太阳黑子带到表面上的磁场又会出现什么情况？

戴克帕迪和她的同事认为，有些问题他们目前已能予以解答。他们认为，关键在于太阳表面等离子体从赤道向两极、称为经向流的、缓慢而有规则的移动。到目前为止，没有人认为经向流与太阳黑子有多大关系，因为它速度不大，每秒仅20米，远比太阳上的其他流动物的流速为低。加之，经向流从赤道向两极移动，而太阳黑子出现和消失的地带则反向移动。尽管如此，戴克帕迪和她的同事认为不能忽视它。“我们的模型首先就包括了经向环流，”她说。在流动的等离子体中，组成等离子体的带电荷粒子与它们产生的磁场之间的相互作用，就造成“冻僵的”等离子体的磁力线：等离子体移动，磁场就随着一起移动。

按照美国国家大气研究中心的模拟，太阳黑子的磁性就牢牢地留在组成经向流的等离子体中。即使在太阳黑子消失后，仍在经向流的等离子体中留下被送向两极的磁性印记。在其移动过程中，等离子体会冷却，且密度变大。

当它到达两极时密度变得很大，就会沉入太阳内部，同时，又受到太阳内部高压的进一步压缩。这就进一步集中太阳黑子留在等离子体上的磁场。

还没有人能够断言下一步会发生什么情况，但戴克帕迪和她的同事猜想，等离子体会一直下降至对流圈底部，然后从两极慢慢地蠕动回赤道。根据她的估算，浓稠粘滞的等离子体以仅为每秒1米的速度慢慢地沿着对流圈底部移动，靠近赤道时速度还要低，那时南北半球的经向流就会相遇。

这就是返回的机制。戴克帕迪认为，这就引起太阳黑子活动带随着循环的进行向赤道移动。等离子体沿着对流圈底部移动时，穿过环绕太阳的、盘绕成圈状的磁力线。这就在缓慢移动的等离子体中感应出电流，后者反过来又增强受赤道约束的磁场。最终该磁场变得十分强大，以致变得不稳定，反过来又产生了太阳黑子。

实际上，在太阳表面下深处返回的经向流起的作用就像一条传送带，它运送着一个太阳黑子磁场的磁存储器，后者又“播种”下今后太阳黑子产生的种子。赤道处之所以出现较多的太阳黑子，是因为经向流在这里变慢，使得磁场在这里作较长时间的缠绕。

戴克帕迪和她的研究组今年2月发表在《天体物理学杂志》的论文中报告了他们的研究结果。他们的计算之所以给了他们充分的信心，是因为他们的模型以前无古人的方法说明了经向流的速度与太阳11年的活动周期之间的关系。“经向流流速愈大，则太阳活动周期愈短，反之亦然，”戴克帕迪说。当他们给模型馈以空间基地SOHO太阳天文台8年来所做的经向流测定值时，再现了上一个太阳周期的主要特征，其中包括了一些以前无法解释的东西。

迄今依然难解的这些特征之一，关系到磁场的南北极最近转换位置的途径。在接近每一个太阳活动周期末了，在重新出现颠倒的南北极以前，太阳的磁场会暂时消失。最近一个太阳活动周期的特征在于翻转比通常晚了18个月。美国国家大气研究中心的研究组认为用经向流可对此做出解释。

我们从观测太阳的磁场可知，当其磁场的北极位于赤道以北时，在北半球的所有太阳黑子起的作用就像磁场的南极。反之亦然。当经向流向具有相反极性的两极移动时，太阳黑子极性的印记依然留在其中。因此当这部分经向流到达南极或北极时，留在其中的磁场就开始抵消南极或北极上的部分磁场，结果使南极或北极具有了相反的极性。那么，为何最后一个周期结束时会发生延迟呢？戴克帕迪研究组重新检验了SOHO天文台的经向流测定值，他们发现经向流放慢了，因而需要更长的时间去抵消极上的磁场。

戴克帕迪的观点已得到其他太阳研究工作者的赞许，尽管还不是人人都相信情况属实。在亚拉巴马州亨茨维尔美国航空航天局（NASA）马歇尔航天中心，由太阳黑子专家D · 哈瑟维领导的研究组汇总了三个天文台128年来的测定值。他们着眼于太阳黑子的位置和强度随时间变化的情况，并把这些测定值与国家大气研究中心的模型做比较。

结果不仅证实了经向流的观点，而且还赞同经向流起着磁存储器的作用的看法（见《天体物理学杂志》589卷665页）。哈瑟维研究组还发现，经常有巨大的太阳黑子的、中断的太阳活动周期会播下20年后另一个中断的太阳活动周期的种子。“这是此刻重要的模型，”哈瑟维说。

首个制作描述太阳活动模型的物理学家、伊利诺斯州芝加哥大学的E · 帕克则更为谨慎。他承认经向流可能起作用，但他以为要有把握地了解它，还需要很长的时间。“我们是在处理类似太阳气象变化的问题，”他说。他把这个课题比作要研制一个完美的地球大气模型。“10年的进展将是相当大的，但并不是说我们一定会解决存在的问题。”戴克帕迪指出，在对流圈的底部等离子体的密度可高达太阳表面处的百万倍，要模拟此处的经向流十分困难。英国利兹大学的天体物理学家S · 托拜厄斯则甚至更为怀疑，“难于理解怎么能产生一个强度足以把太阳黑子推向赤道的经向流，”他说。

无论怎样怀疑，戴克帕迪的模型似乎优于迄今为止的其他任：何说明太阳黑子活动特征的模型。她认为她的模型还可具有预报功能，因为经向流保留着过去太阳黑子活动的磁性印记。她的研究组的模拟表明，两个周期以前太阳黑子的磁性印记可反映在今日太阳的活动中——因此，今日的经向流或许能预示今后20年太阳的活动。如能证明确实如此，那么这样的预报，可用于帮助科学工作者断定发射卫星或计划太空行走是否安全，有否什么太阳巨大爆发的危险。

但是如果要用于可靠的预报，美国国家大气研究中心的戴克帕迪及其研究组还必须证实他们的模型能描述太阳活动的整个周期。到目前为止，SOHO天文台仅提供了相当于8年的完整的经向流测定值。

要做好这项工作，戴克帕迪认为她至少需要17年的数据——尽管她不希望等那么久。该研究组计划在今后数月内从加利福尼亚威尔逊山天文台过去20年来的观测资料中引用经向流的速度，并将其用模型表达。如果能像早先估计的那么顺利，也许我们最终就差不多能够搞清楚一些最显著而又难以捉摸的太阳的特征了。