傾聽太陽的心跳

日震學(xué)家們又捕捉到了一種發(fā)生在太陽表面的振動，終于有望揭開太陽內(nèi)部動力機制的面紗了。

正如地球物理學(xué)通過研究地震波來探察地球核心結(jié)構(gòu)一樣，日震學(xué)通過對太陽表層振動進行分析，從而推測其內(nèi)部構(gòu)造。要知道，在太陽的內(nèi)部回蕩著無數(shù)的波，隨著它們的擴散，太陽表層便會像鼓皮樣不停振動。不過要探知其原因卻是一個很大的難題，因為這意味著需要測出這個半徑為70萬千米的氣態(tài)星球表面僅僅幾米的細微變化!而這正是搭載在太陽和太陽風(fēng)層探測衛(wèi)星SOHO上的星體低頻振蕩探測儀高爾夫10年來的工作。可以說，由法國和西班牙共同研制的這臺探測儀圓滿完成了任務(wù)!研制該儀器的國際團隊在法國原子能總署薩克萊研究中心天體物理部太陽物理專家拉斐爾·加西亞和西爾萬娜·蒂爾克·謝茲的領(lǐng)導(dǎo)下，通過對探測儀觀測數(shù)據(jù)的分析，終于找到了他們一直在尋找的東西：太陽表層的一種新的振動，能夠揭示日核奧秘的振動!他們由此發(fā)現(xiàn)，日核的轉(zhuǎn)速比輻射區(qū)快3倍－5倍(輻射區(qū)是指日核與日表下沸騰的對流區(qū)之間密度和溫度都極高的區(qū)域)。這一發(fā)現(xiàn)尤其為我們深入理解太陽磁場(眾所周知的太陽活動周期便是由太陽磁場決定的)打開了大門，并將提供有關(guān)太陽系構(gòu)成方面的寶貴信息，前景十分誘人。

尼斯大學(xué)天體物理實驗室的天體物理學(xué)家、日震學(xué)的先驅(qū)之一埃里克·福薩回憶道：“早在20世紀60年代，我們就已經(jīng)探測到太陽的振蕩，但還無法精確測量其頻率。當時我們就想到或許可以搞一門日震學(xué)，但也知道這必須以長時間的觀測為基礎(chǔ)。”1979年，埃里克·福薩和他在法國藍色海岸天文臺的同行，同樣也是天體物理學(xué)家的熱拉爾·格萊克在南極對太陽進行了連續(xù)6天的觀測，真正開創(chuàng)了日震學(xué)的紀元。埃里克·福薩指出，在不到30年的時間內(nèi)，這個全新的學(xué)科證實了“太陽的主要物理參數(shù)和研究模型”，體現(xiàn)出它的價值和潛力。他還表示：“通過日震學(xué)，現(xiàn)在我們已經(jīng)確定了太陽對流區(qū)和輻射區(qū)的界限所在：太陽半徑的0，713倍處。小數(shù)點后3位的精確度啊!真是讓人難以置信!”

那么，對太陽的觀測是怎樣為我們提供有關(guān)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及活動機制的精準信息的呢?

20世紀60年代初剛探測到太陽振動的時候，天體物理學(xué)家馬上就明白了它的形成原理。埃里克·福薩解釋說：“在我們這個恒星的內(nèi)部，只可能有兩種回復(fù)力形成這種振蕩，那就是壓力和重力。”當這兩種回復(fù)力打破原有的平衡時，會分別形成壓力波和重力波。這兩種不同類型的波在太陽內(nèi)部擴散，以它們特有的模式形成共振，使星球像一個巨大的共鳴箱一樣振動起來。通過研究這些共振模式，天體物理學(xué)家就能更好地理解波是如何在太陽內(nèi)部擴散的，從而對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及動力機制進行推斷。

專家們從一開始就測到了壓力波的共振模式。那是一種聲學(xué)模式：壓力波在擴散過程中反復(fù)使氣體膨脹和壓縮。而且早在1979年，專家們就了解了它們的來源。拉斐爾·加西亞解釋道：“這些聲波是由運動到太陽表面的巨大氣泡爆裂導(dǎo)致的——這里涉及的是表面對流。我們所要偵測的正是這些氣泡破裂產(chǎn)生的聲波，那就好比要監(jiān)聽水滴落在水塘上發(fā)出的聲音。”在實際操作中，為了估測這種來自太陽內(nèi)部的聲音，“高爾夫”對太陽脈動進行了極為精確的測量。這種脈動極其微弱，速度僅為每秒幾十厘米，周期不過幾分鐘。借助這些測量結(jié)果，日震學(xué)家就可以推測壓力波的軌跡，從而窺探到太陽內(nèi)部的信息。“這些聲學(xué)共振使我們得以確定聲波在太陽內(nèi)部的傳播速度。”西爾萬娜·蒂爾克·謝茲明確地指出：“而太陽是一個氣體星球，因此我們就能順藤摸瓜，確定相關(guān)的壓力和密度，并間接地了解其內(nèi)部溫度。”日震學(xué)的主要成就全部來自這種方法。利用這種方法，今天我們已經(jīng)完全有可能在太陽背面的黑子變得可見之前就將它們定位。這一點意義重大。因為我們知道，黑子引起的太陽爆發(fā)對航天員和人造衛(wèi)星的安全是一種潛在的危脅。

不過對太陽其他一些物理特性的研究，光使用這一方法我們還是兩眼一抹黑。因為太陽內(nèi)部的動力機制只有通過研究重力波的共振模式才能探明，但重力波的共振模式要比壓力波的共振模式難測得多。“重力波導(dǎo)致太陽表面以每秒幾毫米的速度波動，而且波動周期為數(shù)小時!”拉斐爾，加西亞解釋道。現(xiàn)在，就算天體物理學(xué)家之前從來沒有觀測到重力波的共振模式，但借助理論模型，他們也知道自己必須研究什么。“重力波是在對流區(qū)和輻射區(qū)的交界處產(chǎn)生的。當對流區(qū)的氣泡進入物質(zhì)密度更高的輻射區(qū)時，浮力構(gòu)成的回復(fù)力便引發(fā)振動。這就像‘一石激起千層浪’，那些波浪就相當于重力波。”

只是這些“波浪”在穿過對流區(qū)時被大大削弱，從而淹沒在太陽表面的一片沸騰之中——這也就難怪研究人員采集了整整10年的數(shù)據(jù)才把這些信號從喧鬧的環(huán)境噪音中剝離出來。而今天，對重力波共振模式的探測使太陽的核心機密逐步暴露在我們眼前。通過對首批探測數(shù)據(jù)的仔細分析，日震學(xué)家對太陽核心的高速旋轉(zhuǎn)已經(jīng)有了初步認識。拉斐爾，加西亞興奮地說：“確定太陽核心的轉(zhuǎn)速非常重要，因為它是太陽形成階段留下的遺跡，通過對它的了解我們就能獲得有關(guān)太陽系形成的信息。”而且天體物理學(xué)家并不滿足于此，因為有關(guān)重力波共振模式的精確研究或許會成為一個真正的信息寶庫，正如西爾萬娜·蒂爾克·謝茲所說：“得益于SOHO的觀測，近幾年我們終于明白太陽活動、黑子爆發(fā)、太陽磁場等諸多現(xiàn)象全都來自于太陽內(nèi)部。而對重力波共振模式的研究恰恰可以使我們深入太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，今后的研究必定會更加細致、精確。”

現(xiàn)在，日本的“日出”衛(wèi)星和法美合作的“日地關(guān)系觀測”雙子衛(wèi)星也正在密切注視著太陽，它們的使命是研究引發(fā)日冕物質(zhì)拋射的太陽磁場變化，以及磁暴與地球的相互作用。的確，今天的太陽已經(jīng)處在我們的密切監(jiān)測和監(jiān)聽之下，但它還遠未坦白所有的秘密。