宇宙星体漫谈七:看不见的球

作者: H.V.迪特富特 《宇宙星体漫谈》 2015-07-06

导读:可以说,太阳风只不过是以不断增加的速度向四周扩展的太阳大气层而已。太阳大气的外层在某些情况下,如日全蚀时可以直接观热到,或可用专门的天文仪器拍摄下来。它就是赫赫有名的日冕。日冕呈辐射状,围绕着太阳了图5)。日冕的温度高达一百万度,比它的发源地——太阳表面要炽热得多。日冕的温度是怎样发生跃变的呢?对这个问题至今还不太清楚。

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可以说,太阳风只不过是以不断增加的速度向四周扩展的太阳大气层而已。太阳大气的外层在某些情况下,如日全蚀时可以直接观热到,或可用专门的天文仪器拍摄下来。它就是赫赫有名的日冕。日冕呈辐射状,围绕着太阳了图5)。日冕的温度高达一百万度,比它的发源地——太阳表面要炽热得多。日冕的温度是怎样发生跃变的呢?对这个问题至今还不太清楚。

一种你难得听说的,在物理上仍然是很可靠的,并且今天也许为大多数天体物理学家所喜爱的理论认为,日冕加热到上述的高温是由机械作用产生的,)也就是说通过所谓日面的米粒组织的爆裂而引起的。这是与巨大的,平均直径约为一千公里的气囊有关,气囊里的湍流以每秒一百多公里的速度流出,并从太阳的深处上升(图11)。由于日面上温度达六千度左右,巨大气囊接连不断的爆裂所带来的噪声必定超过人们的想象,但这是可以计算的。著名的天体物理学家认为,嗓声不过是气囊的爆炸声。气囊提供了加热太阳大气层的主要能量,从而加速了太阳风的粒子。

图11 高放大太阳表面典型“米粒组织”(太阳最上层的蜂窝状结构)

(每个终窝的直径为1000公里。现在认为这是从太阳内部升起的气中,它们在太阳表面破裂时发出气泡破裂噪声。由这些从太阳内部升如的巨火气泡破裂而引起的雷鸣是造成太阳大气的温度突升到一百万度和这种大气一直扩散到太阳系边界的主要原因)

日冕看起来很稳定,其实是种假象。它跟烛火一样,虽然两者的外形都基本不变,但组成它们的物质不断更新。尽管日冕扩展得相当大,但它只能持续24小时。日冕的一次完全更新范围只到可见部分为止。


但是,人们对此立即会提出进一步的问题。首先是日冕物质高速离开太阳表面飞洒到宇宙空间,这种物质是什么?对此现在还没有研究清楚。第二个问题是,是否可以说日冕基本上都是一些急速地离开太阳的物质。可以这么说,日冕(太阳的大气层)不可能在可见范围的边界上完结。这与烛火类似,烛火中物质确是在不断离开火焰的可见部分,并从烛心得到补充,因此,这就回答了第二个问题。日冕跑到了宇宙空间,成为太阳风。那么,太阳风能吹到多远?

在罕见的日全蚀时,天文学家用专门仪器对太阳的观测结果表明,日冕的可见踪迹竟离太阳达5千万公里,这是一个遥远的距离。但另一方面,这也表明,太阳风不能一下子到达最里面的行星―水星,它距太阳5700万公里。第二次世界大战之后不久,随着射电天文学的发展,才有可能使用新的观测方法。巨大的射电望远镜的抛物面天线首先用来探测和研究所谓宇宙“射电源”,诸如恒星、星云或银河系,它们除了发射可见光之外,还发射无线电波,特别是甚低频的长波,远在可见光范围之外,能与可见光作比较。在天文学这一新分支迅速发展的情况下,有可能应用新方法间接地发现完全不同的观测对象(非射电源)的某些新信息。日冕就是这样一种观测对象。天文学家头一次非凡地想到,如果由于地球的公转,已知的射电源会移动到太阳附近,则可通过日冕记录来继续测量该射电源。日冕是如此弥散稀薄,它的物质引起了宇宙射电源的波动。这种波动必须通过日冕才能闯入地球,尽管存在散射和折射现象,但用灵敏的射电天文学方法记录了它们。

在五十年代或更早一些时候,用这种精密的观测方法成功地证明了日冕的存在,也就是说,证明了形成太阳风的物质一直扩展到距太阳七千万公里的地方,即超过了水星的轨道。太阳风虽然稀薄得用这种方法也很难确定,然而太阳等离子体(太阳风的确切科学名称)还要扩展得更远,越过了地球的轨道,无疑地超越了火星的轨道。宇宙航行实验(首先是飞到金星和火星的美国水手号探测器)再一次证明了这一点。

因此可以肯定,太阳风不仅吹拂着最靠近太阳的水星,而且还吹遍了金星、地球和火星。太阳风只不过是与高速扩展的太阳高层大气有关的现象。由此可获得一个异乎寻常的引人注目的认识:至少内行星,实际上很可能也包括其他行星,即整个太阳系都处于太阳大气层之中!

太阳不仅用自己的大气层包围着行星,而且还照亮了它们,给它们热量。多年来熟知这种宇宙环境的人,自然会想起老母鸡用翅膀保护小鸡的生动情景。这不过是一个形象的比喻,不一定恰当。根据我们今天知道的所有情况,我们可以肯定,能在宇宙中找到服我们一模一样的环境。要是没有太阳风,投有太阳大气作保护,就没有我们,地球就不能居住。近几年来的天文学最引人注目的发现,无不与太阳风的研究有关。

现在我们还是回到老问题上来,就是太阳风究竟吹得多远?我们认为,太阳风吹越了火星的轨道,这一判断是很有根据的。因为我们根据的是美国宇宙飞船探测器发回地球的资料。该探测器探测了今天能通过直接观测证实太阳风存在的区域。没有理由认为,太阳等离子流偏偏会在今天找们研究的边界上突然中断。和反,我们可以相信,等离子流会超越火星轨道,因为组成等离子体的较子到达地球的轨道区时,总是以每秒300多公里的速度运动着,,它们必然会使等离子流冲过火星轨道。

科学家也是这样推测的。他们根据至今探测器所探测的区域里等离子体的状态,首先是它们(粒子流)的速度和密度以及迎面的阻力等。科学家根据这些资料就能计算出太阳风在宇宙空间至少能吹多远。

对太阳发出的等离子流起着阻止作用的有两个因素,其中较重要的一个因素可能是星际物质,其主要成分是气态氢和极细小而稀薄的尘埃。因为人们拍摄到了它们,并证明它们对星光的影响,所以才知道它们的存在。它们在空间的分布必须足够广,占有几百光年或更广的空间。这样由这种尘埃所构成的“光层厚度”才能看出它们的影响。

用这个方法估计星际尘埃的密度也是相当可靠的。为此只需确定通过这种尘层的某颗恒星光的变化,就可进行估计。现以恒星发出的红光为例来说明这种变化。这里人们自然会问,应怎样才能确定?红色恒星光并不是原色光,而是由于尘埃而变色的,是二种假色光。实际上,这并不是个问题,因为天文学通过分光镜研究恒星,可相当精确地测定出它的温度和实际光色。如果用这种方法一次就能查明变色的程度,那么只需知道产生红光的尘埃厚电(即到新研究恒星的距离),就可计算出在宇宙的这一方向上尘埃聚集程度如何。

星际物质的浓度是非常小的。在广漠无际的宇宙中,平均每立方厘米只有一个原子。这已超过在地球上用任何一种昂贵技术方法所能制造的真空。这种稀薄得难以置信的物质,自然要成为太阳等离子体进一步向外扩展的障碍。太阳等离子体不断地向四面八方传播扩散,其稀薄的程度随着离太阳的距离增加而增高。太阳等离子体接近地球空间时,太空探测器再次正确地测量了它们。结果表明,它们还是很浓的。每立方厘米约有5—10个质子。太阳等离子体在远离太阳的地方一定会变得很稀薄,相当于星际物质的浓度。

最后我们谈一下星际两团极其稀薄的,等密度的快速运动的媒质的碰撞问题。因为两者物理性质和状态相同,所以在碰撞中谁也不示弱,相互制动,结果在碰撞处发生扰动,产生热量。我们可把这种地区看作太阳大气层的最上或最外边界,即是大气向外流动的尽头。

但这种较简单的估计还不能确定这一重要分界线的位置。至今我们仍然忽视了第三个因素的作用,它对太阳风起着阻止作用,并给计算工作带来困难。这第三个因素与太阳系内部的磁场有关。

长期以来,通过理论上的研究,认为太阳系和整个宇宙一样,必定存在着弱磁场。近年来,又通过太空探测器的观察,直接证实这种磁场的存在。但这个磁场同样也抑制着太阳等离子体。我们确实看到,太阳风主要是由质子和电子组成的,因而也是组成氢原子的成分。在原子内部,质子所带的电荷和电子所带电荷相等。但是,如果原子跟太阳风中的一样,出现分解或电离(太阳表面热量剩余的结果),那么,它们就成了带电粒子,受磁场影响。行星空间的这种磁场对太阳风发生的影响,是难以计算和估计的。因为至今我们对这个磁场的强度仍不太了解,另一方面是因为,该磁场的空间位置和本身的运动状态所起的某种作用,我们几乎一无所知。尽管如此,总可以用极限值进行计算。这样,可以进行两次计算。在计算时,总是首先在理论上估计太阳风的制动因素的可能最高值,而在第二次计算时采取反运算,总是从最低估计值出发,用这种方法可以求出太阳风在宇宙空间至少能吹多远(假定全部制动因素在理论上的影响最大)以及最多能吹得多远(假定上述因素的影响最小)。

当然这种计算是天文学家精心设计的。通过计算得知,太阳大气层在最不利的条件下,只能达到距太阳15亿公里的地方,即到达土星的轨道,而在有利的情况下,太阳大气层的半径不小于250亿公里,其直径竟超过整个太阳系直径的4倍。

这种计算是从平均值出发的,似乎是合理的。所有可能性都说明,各个制动因素根本不会达到理论上的最大影响值,也不会达到最小值。如果以这个可信的假定为基础,则可得到一个有趣的和一个值得注意的结果,即太阳大气层的扩展范围大约相当于太阳系的大小。换句话说,儿十亿年来,我们的行星系由于太阳的吸引力的作用有条不紊地结成一体,不仅每个行星沐浴着阳光,受热程度视距离而定,而且太阳大气圈还笼罩着整个太阳系。太阳大气向外流动到太阳的最外围,直到冥王星轨道外面才停止。

由于现代空间探测的巨大成就,得到了一个崭新的太阳系图像。太阳的大气充满着所有太阳系空间,这不仅在学术上,而且在天文学或天文物理学上亦有意义。通过近几年来的这些发现,还意外地认识到宇宙空间可以划分成彼此明显不同的区域。

严格地说,目前我们的太空探测器完全没有到达“真正”的宇宙,某些热中者却在第一次成功飞行到月球时就说已征服了宇宙,即使无人驾驶飞船飞行到了金里和火星也还没有到达“真正’的宇宙。我们必须指出,由干太阳风的发现及最近通过对它的研究,使我们开拓了环境,即整个太阳系是一个从冥王星那边开始的一部分宇宙,一个至今开始理解其意义的行尾环境。

今天有一点已很清楚,要是没有太阳创造的特别环境,我们在地球上就不能生存。太阳系的环境是不平静的,扰动很厉害,与无扰动的外界的星际物质空间不同。我们首先介绍一下太阳系边界区的变化。我们曾经说过,这种边界是由一种激波带构成的。激波带总是位于太阳等离子体快速扩散并稀薄到临界值时与静止星际尘埃相碰撞的地方。很明显,这种激波带或边界带有一个庞大而稀薄的球形轮廓。

从起始点的太阳上来看,由太阳等离子体碰撞引起的湍流和磁旋涡,不仅在一个地方,而且在所有方向上几乎在同等距离的地方形成。

如果我们引用上述粗略的极限值进行计算,并考虑与此有关的问题,那么,这个大球的直径约为120亿至150亿公里,其“壁”的厚度只有几百公里,充其量不过几千公里。这个厚度几乎等于边界区湍流的深度。我们整个太阳系也容纳在这个大球里。就是这个球,几年前我们还一无所知。实际上,它既看不见,也摸不着,是个无形的东西。因为,在这种边界区,由带电粒子引起的磁旋涡比太阳粒子的机械湍流运动的意义重要得多。我们就是在磁旋涡的保护之下生活的。

在地球上经常有来自宇宙深处的所谓“宇宙”高能辐射。它是在本世纪初偶然发现的,并且还解决了物理学家的许多难题。科学家对每种射线进行了测量,确定了这些宇宙射线是高能辐射。宇宙射线是由粒子组成的,这些粒子几乎是以光速传播的。不过,正如大家所知,它是以理论上可能最高的光速运动着。这些高能射线的穿透力是相当强的,能无阻地透过一米厚的铅墙,至于一百米厚的岩石当然不在话下。实际表明,在深矿井坑道中也记录到它的足迹,幸而这种高能射线非常稀疏。尽管构成射线的粒子跑得很快.但它的数量却非常少。要不然,我们在地球表面肯定会感到很不舒服。

这一切都是近几十年来才知道的事。对太阳风的研究及所取得的成果表明,宇宙射线实际上并不是没有危险的和微量的。在广漠无际的宇宙空间,也就是我们行星系的边界外面,宇宙射线在“耀武扬威”,而我们还不知道。到达我们地球上的不过是它们一小部分残余和一些无害的样品,仅含少量的粒子,它们顺利地通过太阳风这种隐身的球形屏障。这个球很薄,是位于我们和宇宙空间之间的唯一围墙。

讲到这里,人们自然会问,太阳风屏障宇宙强烈辐射的机理是什么?太阳风的球形激波带不是简单地阻挡以光速猛飞而来的宇宙射线。因为一米厚的铅墙无能为力,难道几百公里厚而稀薄得像真空那样的边界层能阻挡得住吗?似乎不能。但是要知道那里是个由太阳风的带电粒子的湍流区和磁扰动区,像一面镜子一样对着高能射线。但高能射线的粒子不能简单地截获或制动,因为它们的能量实在太巨大,但是它们在边界区却受到磁力线的作用而发生偏转,并受一定的弹性阻力的控制,被送到其他的轨道上去。总之,位于冥王星那边的巨大无比的球不是像固定端那样影响着来自宇宙深处高能射线,而是起着像一面镜子那样的作用,使高能射线发生偏折,重返到宇宙空间。

上面我们描绘了全新的太阳系图像。靠太阳的威力,创造了一个宇宙射线难以进入的球形空间。宇宙射线在这个球面上受到磁场阻拦这一事实不再是个理论问题,也不再是个单纯的推洲。其实,这个球面边界区的保护作用,长期以来人们是知道的,不过,至今才被直接证实,这是通过所谓福尔普斯效应而证实的。

福尔普斯效应就是在地球上所记录的宇宙高能粒子辐射强度存在着明显的突然下降现象。这种现象一般持续几天,然后恢复到原先水平和平均水平。人们早已知道,高能射线这种不现则的衰减在时间上与日面大爆发几乎是同步的。更确切地说,这种爆发几天以后,福尔普斯效应就接踵而来。显然这两个现象之间存着必然的联系。在今天这已搞得很清楚了。福尔普斯效应无条件地符合我们从太阳系内部的动态关系及其与邻近太空的关系方面所描绘的图像。如果人们全面地想一下这一图像,就会知道,偶尔在日面上出现局部性的爆发,能马上引起宇宙高能辐射暂时减弱。因为从日冕中分离出来的粒子由于日面的这种曝发而增多,在太空具有较大速度。这种粒子的增多自然也暂时加强太阳风和边界区的屏障作用,因此在福尔普新效应中能直接反映出来。

讲到这里大家自然会明白,为什么在前面的一些章节要给太阳戴上生命恩赐者的桂冠。这是因为,它是地球这个宇宙飞船所需光和能的供应者,而且是保护者。

假如太阳光突然熄灭了,那么我们不但要冻坏,而且会死于辐射。在完全耗尽地壳和大气中的热量之前,宇宙射线早已杀死了我们,因为包围整个太阳系和保护我们的这个大屏障一一看不见的地球消失了,宇宙射线可直达地表,畅通无阻。

几年前谁也没有想到,我们竟在这个远伸至冥王星轨道之外的磁“囊”的保护之下生活呢。

几年前在撤哈拉沙漠作过一次试验(在地球的另一些地方不同时间里也重复过这种试验)。它与众目睽睽的人造卫星试验相比实在太普通了,几乎没有引起人们的注意。首先是,这种试验的目的几乎没有说服非专家。当时,向大气最高层发射了研究性火箭。火箭在200多公里的高空喷射出了一小股钡云。科学家用望远镜进行了仔细观测,并多次地拍摄了彩色和黑白照片。如果按照它们先后形成的次序精确地观察分析这些照片,那么就能晚定,火箭喷出的云具有独特的状态。这些云是很容易观测的,以为,它们所在的高度正好是电离层,被太旧辐射激发出强荧光,成为发光体。这种云同时向四周扩散,渐渐变大,保持球状。它们的状态完全符合假定。钡的一部分仍旧继续均匀地扩展成球状,但同时开始变成另一种稍微不同的颜色,并且第一种云变成了圆柱形,仅在长轴的两方向上向外扩展。长轴指向南北。那么,怎样来解释这次试验中所出现的罕见的结果呢?

现在,对这个问题的解释是很简单的。在这么高的大气层里每立方厘米体积中大约含有50亿个原子(在海画上,其相应的原子数为2.5x1019)。钡在那里受到几乎无阻的阳光直接照射,不仅变成发光体,而且发生电离,其原子失去一个电子,变成离子。因此,从物理上来看,这种云实际上由两种不同性质的物质所组成。一部分是没有电离的云,就向外扩展,受力学定律支配,变成球状。另一部分是电离的云,它们不仅发出另一种颜色的光,而且因为它们是由内部电荷不能再中和的粒子所组成,在磁场的影响下,只能向南北方向扩展,不成球形,而成圆柱形。它们成为地磁场磁力线的具体表现,这在一般情况下是观测不到的,然而,它们是客观存在的。利用在不同高度上钡的特技照片观察租测量它们,就是这次撒哈拉沙漠试验的目的。

科学家对地磁场感兴趣是有许多理由的。其中有一些是跟前几章节所讨论的内容直接有关。这些理由是从究竟是什么东西保护了我们免受太阳风的袭击这个问题中得出来的。

正如我们已知道的那样,太阳怎样用自己的大气圈包围着它的行星家族及其卫星,使它们免受宇宙射线的致命袭击。究竟借什么力量来驱散宇宙射线这个怪物?为什么太l旧风不伤害我们?

当然,携带电子和质子的太阳风在地球轨道附近大约以每秒500公里的速度运动着,大概不会像宇宙射线(几乎同光速一样快地传播着)那样来伤害我们。太阳风的威力不过是一种高速(相当于声速一千多倍)粒子的连续不断的冲击。因为它来自1.5亿公里(从天文学上来看,这是一个微不足道的距离)以外的太阳,所以它的威力不算很大。

由此可见,太阳风保护了我们免受宇宙射线的致命袭击。那么又是什么使我们免受太阳风的冲击呢?令人吃惊的回答竟是,刚刚能使罗盘磁针指北的微弱力——地磁场力!

来源:[德国] H.V.迪特富特《宇宙星体漫谈》

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