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凝视太阳,正如伽利略所做的那样

威尔逊山天文台的天文学家们每天都会绘制太阳黑子图,延续了伽利略开创的传统。

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加利福尼亚州威尔逊山——作为一个自白的伽利略崇拜者,我选择在洛杉矶以东圣加布里埃尔山脉的这个山顶上,对我个人庆祝2009国际天文年进行纪念。全世界的天文爱好者们都在鼓励那些对天文学不了解的人们仰望星空,看看伽利略所看到的一切,从月球上的山脉到银河系的星河。但在这里的威尔逊山天文台,有几位天文学家仍在从事一项由伽利略开创的古老艺术活动:他们每天绘制太阳黑子图。

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四百年前,伽利略在意大利和同时期的其他国家的天文学家大致同时宣布了太阳黑子的存在,这激怒了神学家和学者们。当时人们认为太阳是一个完美无瑕、永恒不变的星体。它的表面怎么会被那些会生长、膨胀和移动的暗斑所玷污呢?伽利略试图通过长期观察这些黑子并描绘它们的个体特征来回答这些基本问题。他知道直接观察放大后的太阳会让他失明,于是他让太阳的影像通过望远镜筒投射到一张纸上,然后在纸上描绘出黑子的复杂明暗对比。

当伽利略注意到一组特别明显的黑子在消失了两周后重新出现时,他意识到这些黑子并非在移动,而是被携带而去的。他发现了太阳的月度自转。后来,通过观察一年中太阳黑子的轨迹,他看到它们向上倾斜,然后向下倾斜。他将这种不断变化的方向解释为一种视角效应,以及地球在倾斜的轨道上围绕太阳运行的证据。

从那时起,科学家们一直在解读每日的太阳黑子活动,以寻找其他重大天文学发现的线索。例如,仅仅计算黑子的数量,就促成了对11年太阳黑子周期的认识,这个周期从“太阳活动极小期”(几乎看不到黑子)发展到“太阳活动极大期”(巨大的行星大小的斑点密布在光球层,即太阳可见表面)。在太阳活动最频繁的时期,由太阳黑子代表的磁场扰动经常会释放并跳跃到地球,引发磁暴,干扰通信网络,并在极地上空展现出极光。

无论好坏,我访问威尔逊山的日期(更不用说整个国际天文年)恰逢一个明显的太阳活动极小期。事实上,目前的极小期是过去半个世纪以来最深、持续时间最长的。一些科学家推测,太阳可能正在进入一个长期的不活跃阶段,类似于1645年至1715年持续的那个阶段,那段时期也恰逢欧洲的“小冰河时期”——尽管没有任何证据表明太阳会拯救我们免受全球变暖的影响。

在我抵达前的几周里,我查看了天文台网站上发布的每日太阳黑子图,结果只看到一个圆形的空白板,上面附有“今日未见黑子”的字样。但就在我开车沿着盘山公路去拜访那些绘制太阳黑子的人的那天,出现了四个小黑子。

威尔逊山上150英尺高的太阳塔,其几何造型与该地点几个传统的圆顶建筑形成鲜明对比,这些圆顶建筑内藏着瞄准更遥远恒星的望远镜。它裸露的框架像起重机或桥梁桁架。塔顶的两个平面镜和一个物镜捕捉太阳的影像,并将其投射到地面观测室的一根管道中,在那里绘制太阳黑子图。(在地下80英尺处埋藏着用于分析太阳光的摄谱仪。附近一座60英尺高的太阳塔则用于日震学——研究太阳的振荡以确定其内部动力学。)

进入150英尺高塔的观测室,我首先注意到的是该天文台创始人、早期太阳磁场行为专家乔治·埃勒里·海尔的半身像。1912年,海尔在这里开始了绘制太阳黑子的日常实践,并建立了至今仍保存着约26,000幅此类图画的档案。然而,与伽利略不同的是,海尔并非艺术家。他用潦草的线条和交叉的阴影描绘太阳黑子的轮廓,主要目的是绘制每个磁扰动的地点(太阳纬度和经度),并测量每个太阳黑子的极性和场强(以高斯为单位)。半身像上的表情似乎表明他很高兴看到这个项目还在继续。

当值班的太阳观测员、来自加州大学洛杉矶分校的史蒂夫·帕迪拉调整塔顶的镜子时,太阳的反射光淹没了观测台。我们可以看到四个小黑子像一群跳蚤一样跳来跳去。威尔逊山每年有300个晴朗的日子(和夜晚),而这一天无疑是最晴朗的一天之一,但强烈的1月大风扰乱了“视宁度”,使阳光抖动。风还不时地摇晃塔身,导致画面进一步模糊。

巨大的太阳影像——直径17英寸——需要相应的大张白纸。帕迪拉把他的绘图铅笔放在观测台边缘的壁架上,放在一个标有“Koh-i-noor”的旧金属盒里。这套小小的铅笔从2-B到9-H不等,在更好的日子里,可以让黑子模仿罗夏墨迹图或精致的霉菌生长,提供充足的阴影渐变。今天微小的收获只能迅速地用单色记录下来。最大的黑子可能比地球大两倍,但横跨页面仅有四分之一英寸。帕迪拉显得有些抱歉。他主动提供了一张1947年4月6日的照片作为补偿,那是从威尔逊山观测到的最大的太阳黑子群。照片中,颗粒状的光球层爆发出了成群的黑子,每个黑子都有一个不规则的黑色中心,即本影,标志着太阳近10,000华氏度表面上一个相对较冷的区域。每个黑子周围较亮的区域,即半影,则充满了纹理。

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根据住在山上的另一位经验丰富的观测员、佐治亚州立大学Chara(高分辨率天文学中心)阵列的场地管理员拉里·韦伯斯特的说法,绘制太阳黑子的理想时间是日出后一小时。

“日出后一小时内,大气条件最稳定,”韦伯斯特解释道,“因为太阳还没有把山晒热。但如果早上多云,你就等到下午的间隙再尝试。绘制可能需要10分钟到3个小时,具体取决于太阳活动。1978年11月,我刚开始的时候,我们正处于太阳活动极大期,有一天我得画23个太阳黑子群。有些人会给每个太阳黑子画一个带横线的圆圈,但我会尽量把我的画得好看些,给本影和半影上色。我甚至会稍微发挥一点艺术想象力,画出从半影辐射出来的纤丝。”

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是时候让帕迪拉去塔顶调整镜子进行下午的磁场图观测了,于是他戴上安全帽,系好安全带,坐进了人们委婉地称之为“电梯”的小开放式吊篮里。

场地主管戴夫·朱拉斯维奇和我一起站在外面观看升降。他回忆起费迪南德·埃勒曼,威尔逊山最早的太阳观测员之一,曾经会把吊篮停在塔的半空中,从口袋里掏出一支雪茄,然后拿出一块放大镜。为了让下面的观众都能看到,或者也许只是为了取乐,他会在继续攀爬之前,用聚光后的太阳光点燃他的雪茄。不抽烟的帕迪拉只是向我们挥了挥手,没有停下来。

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