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太阳物理学

  返回威尼斯网址 主页   发布时间: 2016-11-23 浏览次数:223

太阳物理学是用物理方法研究太阳的本质和演化的一门学科,是天体物理学的一个分支。太阳是一颗普通的恒星,可以和研究恒星一样,根据太阳的质量、半径、光度、光谱来推算它的表面温度、内部结构、能源机制等。但太阳物理也有其特点:利用太阳的强光,可观测它的表面细节,测出微小的光度变异,求得一些极为重要的数据(如太阳磁场分布);推求黑子、日珥、耀斑等日面活动客体的物理状态及其变化;直接感受太阳风的影响,从而获得日冕和行星际物质的珍贵信息。

近代太阳物理的研究可追溯到伽利略用望远镜观测太阳黑子。英国科学家牛顿用三棱镜发现了太阳光谱,分析出光具有红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色,后来的恒星光谱成为揭开天体秘密的方式。40年代由于射电天文学的发展以及太阳磁像仪的发明,人们对于太阳的研究又更进一步。

太阳是一颗普通的恒星,可以和研究恒星一样,根据太阳的质量、半径。光度、光谱来推算它的表面温度、内部结构、能源机制等。但太阳物理也有其特点:利用太阳的强光,可观测它的表面细节,测出微小的光度变异,求得一些极为重要的数据(如太阳磁场分布);推求黑子、日珥、耀斑等日面活动客体的物理状态及其变化;直接感受太阳风的影响,从而获得日冕和行星际物质的珍贵信息。


历史:
中国古代对太阳黑子和日食现象就十分注意观测,留下了大量的记载。近代太阳物理的研究可追溯到伽利略用望远镜观测太阳黑子之时。以后,牛顿用棱镜发现了太阳光谱。但直到二十世纪初叶,光谱才成为揭开天体秘密的有力手段(见恒星光谱)。从此,太阳物理学便步步深入,形成了一个理论和实际紧密联系的学科。 早在十九世纪末叶,人们就发现某些地球物理现象的变异和太阳黑子的多少有关,磁暴就是最突出的例子。进入二十世纪后,气候的灾变、地球物理现象的异常和太阳活动有关的记载日渐增多,证明了日地关系是很密切的。对于太阳本身的研究,从三十年代起,在理论分析和观测手段上都有重大的进展。这不但增进了人类对太阳本身的了解,也促进了天体物理其他分支以及物理学的有关分支的发展。当时研究的重点是把太阳当作普通恒星来对待,最重要的课题是太阳和恒星的内部结构和能源机制,太阳和恒星的化学成分和静态表面结构。在海耳取得太阳单色像和李奥发明Ha单色滤光器(见双折射滤光器)之后,取得太阳表面瞬变现象的动态资料就成为常规观测工作,在世界范围内能够按统一的标准监视太阳活动。人们在研究太阳的物理方法上从此跨进一个新时代。四十年代到五十年代,由于射电天文学的发展以及太阳磁像仪的发明,人们对于太阳的研究又增加了新的内容。在六十和七十年代,空间观测又填补了许多空白。

人们已经能够取得从γ射线到米波射电,从慢太阳风到宇宙线能级的高能粒子的资料,从而可以得到自太阳表面到地球的整个日地空间的直接数据。正是由于上述观测手段的发展,通过理论探讨,人们进一步认识到应该把太阳和日地空间作为一个整体来加以研究。在本学科的领域内,理论上最重要的发展,无疑是阿尔文于四十年代所发现的在高导电流体中磁场与流场的耦合,从而把等离子体物理理论应用于太阳研究,解释了许多太阳射电、太阳活动的现象。

研究内容:
人们所理解的太阳,已经不只是一个从15,000万公里之遥的地方供给人们光和热的大火球,而是一个与地球有直接物质联的日地系统的母体。日地之间是靠从太阳发射出来的、带磁场的、高速太阳风进行物质联系的。太阳上的各种物理现象,直接或间接地通过辐射和介质波以及高能粒子的运动,传到地球周围,对它施加影响。人们今天研究地球科学,就不能不或多或少地考虑太阳的因素。太阳物理学较重要的问题之一,是所谓的中微子之谜(见中微子天文学)。这很可能使人们回到老的起点,即重新研究太阳的内部结构问题。

太阳是离人们最近的一颗恒星,也是唯一一颗可以进行详细观测的恒星。太阳每天发射出的光和热为人们提供着人类赖以生存的能源,太阳上一个小小的风暴(日冕物质抛射)也可能引起地球外空间的强烈磁暴。但是,就是这样一颗与人们朝夕相处的太阳,却在诸多太阳物理学家近百年的努力后,仍有许多尚未解决的问题。

最“臭名昭著”的要数“日冕加热问题”了。自从上个世纪30年代通过光谱观测发现日冕具有上百万度高温以来,如此稀薄的太阳日冕为什么能维持如此高的温度这一问题,牵扯了无数太阳物理学家的神经。尽管许多“可能”的解释被提出,并没有一个让人完全信服的模型被接受。

太阳活动周现象被观测也由来已久。人们知道太阳的黑子数每11年有一周期性变化,从太阳活动低年的几乎没有,到太阳活动高年的上百个;同时,黑子出现的位置也有周期性变化,开始时出纬度30度左右,之后向太阳赤道移动。这些都表太阳物理学家称为“蝴蝶图”的观测中。虽然一些太阳“发电机”模型能大体解释一些太阳活动周现象,但是其中一些具体问题还使科学家们无法自信地宣称太阳活动周问题已得到解决,人们还不能准确地预报下一个活动周内将会出现的状况。

20世纪70年代发现的日冕物质抛射为太阳家族增添了一个新的未解之谜。人们观测到大量的起源于太阳低层日冕的物质以平均每秒几百千米的速度被抛出日冕。部分这些物质甚至会经历日地之间漫长的旅行,而到达地球外层大气,从而对地球的电离层和通讯造成影响。尽管到为止,科学家们已对上万个日冕物质抛射进行了观测,但对其到底为何发生以及何时会发生,仍没有一个完整、准确的把握。

由此可见,太阳物理研究中存在着许多长久未解决的问题。这主要是由于人们对太阳的观测已积累了相当丰富的资料,因此任何理论和模型要想成立,都必须解决和解释众多的、纷杂的观测现象。那么,出路究竟在哪儿呢?也许,观测被认为是太阳磁场构件的“基本磁元”是出路之一。

“基本磁元”是指太阳物理学家认为的组成太阳磁场的、不可再分的基本磁场构件,有些类似于原子在物质组成中的地位。对原子和元素周期表的了解大大增强了人们对物质各种各样化学性质的了解,也许,与此相类似,对“基本磁元”的了解,将帮助人们了解纷杂的太阳物理现象,从而使各种物理现象在一个更本质的层次上得到统一。但是,观测“基本磁元”需要极高的空间分辨率。例如,理论估计磁元的大小在0.1角秒左右,这使得在地面观测“基本磁元”基本成为不可能。由于地球大气的不断抖动,使地面观测的空间分辨率限制在1~2个角秒左右。因此,人们只能借助于将望远镜发射到地球大气外的空间进行观测,以求得到高分辨率的观测资料。当然,最近发展起来的主动光学技术,在配合大型计算机使用的情况下,有可能部分克服大气抖动的影响,从而达到提高地面观测分辨率的目的。这方面的研究尚处于研制、开发阶段

空间观测的好处不仅在于提高了观测的空间分辨率,同时由于不再有地球大气的消光作用,观测的灵敏度也能大幅度地提高。能够让人们把太阳看得更“真真切切、明明白白”。当然,空间望远镜的制作具有相当的难度,所以人们也不是能一蹴而就地直接进行0.1角秒量级的观测。从国际空间太阳望远镜的发展来看,也是经历了一个从90年代初,日本阳光卫星的2.5角秒量级的观测,到1995年上天的SOHO卫星的1.8角秒分辨率观测,再到1998年发射的TRACE卫星的0.5角秒高分辨率观测,这样一个发展的过程。值得欣慰的是,随着空间观测的时间分辨率和空间分辨率的不断提高,越来越多的物理现象被人们“捕捉”和了解,太阳物理研究正在进入其黄金阶段。 解开“磁元之谜”,乃至诸多太阳物理之谜的关键一举,也许就在中国的空间太阳望远镜(SST)上。SST是中国科学院国家天文台艾国祥院士提出的、用于观测太阳磁元精细结构的空间望远镜。SST的主要负载是一个1米口径的光学望远镜,用于观测太阳光球层的矢量磁场。SST的0.05角秒的高空间分辨率将使太阳矢量磁场的观测达到国际上前所未有的精细程度。同时,SST的8个通道同时观测也将使观测的时间分辨率大大提高。如此高时间分辨率和高空间分辨率的观测,将使人们对太阳上的诸多基本物理现象,如太阳活动磁场变化、太阳耀斑的积蓄和爆发过程、日冕物质抛射、太阳风的形成等等,有更深入和更本质的了解,并可能取得太阳物理学上的重大突破。卫星总质量达2吨,是世界上最大的热光学望远镜。

它将由长征四号乙型火箭发射,在距地709千米的太阳同步轨道上以始终指向太阳的姿态运行。在3年寿命期间,实行24小时连续工作。中国科学院国家天文台自1992年起就一直致力于“空间太阳望远镜”的研究,已建立了一些相关的实验室,并做了大量的技术攻关工作。两块1米口径的光学镜片已制作成功,正在进行组装、调试。期待着SST的成功发射,期待着其为中国天文学乃至世界太阳物理学,翻开新的一页。



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