|
内容摘要：本文提出了太阳黑子的形成是由于高沸点金属在太阳表面缓慢聚集的结果，与日珥一类太阳喷发形成在光球之外的抛射物质密切关联。并非磁场冻结物质的功效。通过对太阳黑子新模型的建立，推演出了相应具有的太阳黑子运动规律和物理现象，很符合我们现有对太阳黑子的观测结果。
关键字：太阳黑子 光斑 耀斑
1、引言
有关太阳黑子记载较早最为准确可能数中国的《汉书•五行志》，记载云：“汉成帝河平元年三月乙末，日出黄，有黑气，大如钱，居日中央”。据考证，此次太阳黑子事件发生在西元前28年5月10日。西元1610年12月，义大利科学家伽利略第一次使用自制的天文望远镜观测到了太阳黑子的真实存在。
迄今为止，世界各国都有为数众多的科学家展开对太阳黑子的观察和研究。现今科学界对太阳黑子的认识相对以往积累了更多的科学资料。比较一致的看法是，太阳黑子之所以显黑，是因为它们较光球冷。经测量，一般认为太阳黑子表面的温度仅约4100K，比周围光球冷1700K左右[1]。现代科学家们都相信，太阳黑子较冷是由于强磁场将物质冻结在磁力线上，抑制了物质对流形成的。有科学家认为，太阳黑子还是一种凹陷的磁流体。
太阳黑子大多呈现椭圆形。黑子大小不一，大的直径可达几十万公里，最小黑子的直径也有上千公里。太阳黑子时多时少，成群结队出现，黑子多时，数目可达几百个，黑子少时，甚至几个月也找不到1个。太阳黑子多集中出现在太阳赤道±50~±400纬度之间，赤道附近极少。伴随着太阳黑子由高纬度向低纬度演变，最后消失在低纬度区域，其变化趋势已有蒙德（Maunder）蝴蝶图表示[1]。
通常，黑子的寿命与其大小有关，黑子愈大，寿命愈长，大黑子可生存几个月；个别寿命短的小黑子，只能生存几天，甚至几小时后即消失；大多太阳黑子都能生存十几天。太阳黑子可围绕太阳自转轴运动，在光球边缘消失后经历一段时间又从光球边缘另一端复现。太阳黑子存在活动周期，太阳黑子从最多的年份到下一次最多的年份，大约相隔11年[2]。
伴随着太阳黑子在低纬度区域消失，黑子周围会产生复杂的耀斑和强烈的辐射，甚至是爆发。太阳黑子出现的数量多少通常是衡量太阳活动成都高低的一个重要指标。
虽然人类对太阳黑子的认识较早，即便我们今天知道了很多有关太阳黑子事件，但是，对于太阳黑子的成因仍然有诸多不解。为什么太阳黑子是黑的？他们为什么会产生？又为什么会消失？为什么会从高纬度向低纬度演变？伴随黑子消失为什么会有耀斑出现？……这些未得破解的迷雾至今笼罩在科学殿堂之上。
通过多年对太阳黑子的研究，本文提出了太阳黑子的形成是由于高沸点金属在太阳表面缓慢聚集的结果，并非磁场冻结物质的功效。太阳黑子的所有表征实际上应该是高沸点金属集合体漂浮于太阳光球外层所表现出的物理现象。
2、太阳黑子的形成
我们知道有很多种金属，它们具有较高的沸点。在太阳表面，太阳黑子的温度大约是4100K，按照这个温度点来选择物质，我们发现钨、铼、钼、钽、铪、锇、铌、锆、铱等金属的沸点都远较太阳黑子温度高；一些已知的化合物如碳化铪（HfC）熔点高达4163K，铪合金（Ta4HfC5）是已知熔点最高的物质约4488K（4215℃），碳化铌、碳化钨、碳化钽熔点都很高。 这就是说，这些高沸点物质在太阳光球（大约6000K）以外容易冷却而形成为液态的游浮点。
所不同的是，太阳光球外层高沸点物质还存在严重的放射性，其所形成漂浮性液态游滴的成分十分复杂，它们不仅存在诸如碳化铪、碳化铌、碳化钨、碳化钽一类的高温化学结合物，而且更是多种液态金属的复杂混合物。这些高温液相混杂物中，不仅含有B、C、N、O、Al、Si、S等轻质放射性元素，而且含有大量Ti、V、Fe、Co、Ni、Cr、Cu等较轻金属放射性元素，尤其大量存在Zr、Nb、Mo、Ru和Hf、Ta、W、Re、Ir等高沸点金属放射性元素。黑子的数量多少不仅取决于太阳内部核反应的稳定和剧烈程度，而且与太阳光球外层高沸点金属的密度和分布有直接的关系。
在太阳活动较为平静之时，那些被太阳内部剧烈反应所抛射的物质，存留到太阳光球外层，一些较高沸点的物质在外层经辐射能量后逐步冷却下来，由气态转化为液态。这些高沸点液态物质在太阳自转作用下，逐渐将分散的小液滴集结成较大的液滴云团，最终这些液滴云团会汇集成为大体积状态的厚密实体。很明显，那些沸点最高的物质会首先被冷凝下来，不断碰撞而结成较大的实体核心，并以此带动不断冷凝的次高沸点物质的聚集。这种不断裹缠趋势还可能会导致物质聚合中具有沸点层次结构。这就是太阳黑子的成因。
诚然，太阳黑子的形成不是一步到位的，需要经历很长时间。太阳一旦进入活动柔缓期，整个太阳外层的物质都会逐步冷却下来，因而太阳黑子易于大量出现。我们发现，太阳在椭圆形黑子形成以前，总是先于相同位置出现如线状或带状累得不甚明显暗斑，这些暗斑就是高沸点物质组成的液滴云团。这种情况和地球上的积雨云十分相似。
很少有人关注太阳介面上的那些丝带状态一类的“斑影”与太阳黑子形成的关系。一般来说，高沸点物质容易首先形成丝带状“斑影”。这些丝带状“斑影”所跨纬度较大，极像“云团”一样的投影。实际上，由于组成它们的物质成分非常复杂，他们受太阳自转惯性的控制表现各异，在缓慢飘逸过程中，多数都会发生裂化，尤其是巨大的 “液相云团”其内所包含的物质成分更加复杂，因此更加容易分裂并收缩成为几大十分邻近的太阳黑子团，使得我们看太阳黑子总是呈现成对或多个团体汇集一起缓慢运动现象。
不过，我们现在已经很清楚太阳光球之上那些丝带状的“斑影”就是太阳爆发所喷发出的物质停留在光球之外的日珥[2]。在研究日珥的运动过程中，我们会发现日珥会逐步向太阳两极飘移。日珥在飘移中，他们会日渐冷却下来。这样，重的高沸点物质在日珥的下层，轻的次低沸点物质在日珥的上层，因日珥存在同光球面连接的根端，日珥中部顶端的物质就可能会逐步游移向两端根部，以至于日珥中部发生断裂，从而在日珥的根端形成物质浓积体的太阳黑子。日珥两个根端浓积太阳抛射到光球以外的高沸点物质，这可能也是大多数太阳黑子成对出现的原因。当然，巨大的日珥一类太阳抛射物可能会在光球外层发生多重近似断裂性的物质浓积区，以至于会形成多个大小不一的太阳黑子群。我们认为，日珥向太阳两极飘移的运动特性可能是太阳黑子先始出现在较高纬度附近最直接的原因。
高沸点物质在太阳光球外层因辐射能量而逐步由汽相转化为液相，在太阳自转惯性的作用下缓慢发育成为液滴集群，直至成为云团结构，最后以椭圆形太阳黑子出现。这个过程也揭示了太阳黑子分布只会存在在太阳光球外层，而不可能凹陷入太阳光球内部。太阳黑子之所以呈显温度低，除了太阳黑子本身属于高温金属液相之外，厚密的液态金属实体也完全吸收和遮挡了来自太阳光球所散发的各种粒子和光线。
2006年11月08日美国SOHO太阳观测卫星拍摄的水星凌日照片
2004年06月08日下午,金星飞过太阳圆面——“这可是人们足足等了122年的天象奇观！”（德国照片）
我们观察水星凌日、金星凌日现象时，因这两大行星绕太阳运动的公转半径都小于地球公转半径，在太阳面上我们所看到的图像近似太阳黑子，只不过它们形状更规则、速度更快而已。假如仅凭一张普通照片而非连续性观测，我们很难区别开太阳黑子和水星、金星。
3、高沸点液相金属浓缩混合体的运动特征
由于所有的磁性物质均具有居里点，在太阳光球附近高温的存在已经不可能使任何物质表现出强大的磁性。太阳的磁场只可能在大量同等性质基本粒子趋于一致方向运动下才可能表现出来。对于高沸点液相金属群体来说，它的磁性也应该受这些物质衰变过程中所放射出的带电基本粒子所控制。例如，大量物质集中向同一个方向放射β射线，这就会产生电流，电流的流动便可以表现出磁性。
但我们的研究发现，高沸点液相金属群体最终所形成的太阳黑子的运动并不主要受自身磁场的控制，它的运动取决于太阳黑子所包含的品质和所处的位置。
一般来讲，在黑子尚未引发耀斑以前，黑度更深的太阳黑子温度更低，它存在于太阳光球更外层，距太阳光球更远；黑度较浅的太阳黑子其温度相对较高，它处于太阳光球的近外层，距太阳光球较近。这就是说，太阳黑子会显出各种不同的温度，所有的太阳黑子应该存在于一个温度范围内。事实上，许多天文学家观察太阳黑子，确认黑子的温度确实存在很大的差异。目前有一些人认为太阳黑子温度为4600K左右，有一些人认为太阳黑子的温度为4300K左右，我们所采用的最低温度资料是4100K。
众多太阳黑子照片中的局部
在太阳自转惯性的作用下，高沸点液相金属群体不断汇集收缩，一方面在太阳向心力作用下绕太阳自转轴运动，另一方面通过液滴相互碰撞变得越来越厚实，称为高沸点液相金属浓缩体（太阳黑子）。随着体积越来越收缩变小，这些高温液相金属浓缩体的运动惯性和太阳外层大气压力越来越不足以平衡其绕太阳自转轴所需要的向心力时，这些高沸点液相金属浓缩体就会逐步以收缩绕太阳自转轴运动半径的方式偏移向太阳中心运动。这种运动轨迹近似螺旋线。
可以这样说，一旦高沸点液相金属浓缩体越来越趋近于椭圆形态时，它向着太阳中心的螺旋渐进式运动便开始了。每围绕太阳自转轴运动一周，其运动半径都会缩小；如此下去，高沸点液相金属浓缩体就会越来越靠近太阳核心体，而且下落的速度也会越来越快。在我们地球上来观测这种运动，高沸点液相金属浓缩体透过太阳外层密度较低的太阳大气，它的运动位置表现为纬度愈来愈低。这就是我们所说道的太阳黑子从高纬度向低纬度运动现象的本质特征。
不仅如此，当太阳黑子以螺旋渐进式运动越来越深入太阳内层时，组成太阳黑子的物质进入太阳内层在受到高温作用下，就会迅速发生汽化，不仅骤然体积膨胀，而且太阳内部复杂的各类高能粒子也会同这些不断散发的物质发生核反应。这样的情形下，太阳黑子直接面向太阳内层接触的区域就会因迅速“燃烧”而呈现区域性爆发状态。其猛烈而巨量的核反应和短时段的物质扩散，使得我们观察它呈现明亮耀斑。由于厚密液相高温物质组成实体的吸收和遮蔽，太阳黑子在正对面接触太阳内层高温区域的部分所发生的剧烈核反应和汽化效应不可能为我们所观测到；唯有整个太阳黑子全部没入太阳深层时，我们才能看到太阳黑子消失前所发生的一团耀眼的光芒。
我们知道，太阳黑子消失前抵近太阳赤道最近的纬度是50，这个资料说明什么呢？这说明了来自高纬度区域的太阳黑子落入太阳深层最大的位置深度。我们观察一个太阳黑子，假如它初始于400时开始出现微小耀斑，后在50时耀斑完全吞没整个太阳黑子，那么我们通过几何方法就基本上可以确认该太阳黑子完全消失的位置了，我们甚至可以计算出太阳黑子消失处所覆蓋的太阳内层半径。如果以此半径所存在的是太阳的实际中心内核，那么，这将是我们对太阳结构非常重要的认识。
另外，既然太阳黑子为高沸点液相金属浓缩混合体，那么，它在坠入太阳深层的过程中，一定还应该存在旋转运动。正是物质实体具有这种旋转运动，我们才能看到它具有明显的发散性须状灰色半影和暗黑本影。
4、太阳光斑耀斑光谱
太阳光斑和耀斑的发生直接与太阳黑子关联。我们所认为的太阳黑子产生的光斑和耀斑，并非由于磁场“冻结”物质积蓄能量所致，而是高沸点液相金属浓缩体最终下掉到太阳深内层的结果。光斑、耀斑的发生与高沸点液相金属组成密切相关。
随着太阳黑子由太阳光球外层逐步落入到光球内层，其所接触的区域就会同太阳内层高能粒子发生各式核反应，同时因触及太阳内层越来越深，遭遇到的温度也自然愈来愈高，这样组成太阳黑子的高沸点液相金属混体就会强烈汽化，体积剧烈性膨胀。但是，因太阳黑子所包含物质数量的巨大，中并不是太阳黑子所有的物质都迅速消解。
在最初坠落时，太阳黑子本影处是看不到强烈爆发，而本影边缘处呈现光斑，这一点很符合物质汽化散失的过程。但由于初接触到太阳浅表层其粒子能量相对较低，因而光斑所产生的光谱能量较低，光谱强度也不是很大。
等到太阳黑子进入太阳深层以后，物质散失量更大、更迅速，太阳内层的粒子能量和密度都较浅表层的强大，这时候的本影会有所收缩减小，而光斑导致的爆发会更加猛烈，光斑范围更大，光斑产生的光谱其强度和能量都更高。
等到最后光斑完全浸没太阳黑子本影时，这是太阳黑子的半影也已经完全消失，由此导致的爆发达到最强烈，产生耀斑现象。光斑产生的光谱其强度和能量也将达到最强幅度。前面我们讲过，太阳黑子具有按沸点高低聚集的层次结构，那么太阳黑子中心物质无疑具有最高沸点，这些物质一般是钨、铼等一类的物质。这高沸点物质被太阳内部的高能电子激发就会发射出高硬X射线。
要证实太阳黑子物质组成上具有按沸点高低布层的特点，那么我们可以借助分析各个时段的耀斑光谱结构，尤其是分析这些耀斑的某些X射线特征谱更具有非凡的意义。
不仅太阳黑子物质具有层次分布，太阳也存在物质层次分布特点。在太阳表面，高沸点的物质多数都是较众多核电荷元素，它们可能更较靠近光球内层，而诸如H、He、C、N、O、Na、Mg等元素它们沸点较低，因而容易漂浮到光球表层。这样，在光球内层那些高沸点物质接近汽化时，它们就可以通过光子或衰变中的粒子将能量直接传递给轻核元素，迫使轻核元素在光球外层发光。于是，我们在观测太阳光谱时，我们更多地注意到了光球面上物质的发射光谱，而忽视了光球内层物质发光被遮蔽的本质。因此，可以毫不夸张地说，太阳黑子所引发的光斑光谱为我们正确认识太阳结构打开了一扇明亮的窗户。
值得注意的是，太阳内部的物质都具有放射线，任何一种元素都具有奇多的同位素，这种同位素所受激发产生的光谱可能会表现为光谱分裂的特征。根据太阳光斑所呈现的同位素反常丰度特征可能有利于找到太阳黑子的真实物质组分。
5、讨论
太阳黑子物质中可能有一定量的C等元素，因为它们可以在强烈辐射下生成金刚石结构的碳，也可能生成碳化钨、碳化铪、碳化铌、碳化钽等高沸点物质。要证实这些物质的存在只有通过分析光斑和耀斑光谱结构才能明确。轻核元素存在于太阳光球之外层次不是不可能，但要确证确实很困难。
前面我们说到太阳黑子确实存在多种温度，这是由于太阳黑子在形成中不断向外界散射能量的缘故。特别是，太阳黑子面对太阳光球的正面因受到太阳光的辐射，温度会更高一些，而背对太阳光球的背面会因为散射能量而温度越来越低。因为这个缘故，太阳黑子的组成物质在面对光球的正反两面是有较大区别的，直面太阳光球一面的物质沸点更高于背对太阳光球面的物质。那些低沸点的物质总会因面对太阳光球的辐射而四散逃逸。 不仅如此，就是同一个太阳黑子也会在不同时间段存在温度变化的问题，尽管现在还没有太多科学家注意到这些问题。太阳黑子的温度通过它的光谱也可以确证，其中性金属谱线的加强，分子吸收光谱的出现[2]，这些都表明太阳黑子可能存在更低的温度和更高一些的空间位置。
太阳米粒组织的成分是些什么，当然同样是相当复杂的，但我个人更倾向于米粒组织具有汽液混合相的特征。米粒组织对太阳维持能量平衡和保持基本粒子数量都具有极其重要的作用。没有米粒组织是不可能生成出太阳黑子的，在太阳黑子形成过程中必定有同米粒组织联系的机制。太阳体积十分庞大，局部米粒组织的温度是有一些差别的，这种温度差别对于太阳外层高沸点物质的冷凝并最终导致黑子的形成非常重要。
美国宇航局2006年10月25日发射的孪生飞船于12月4日传回首批太阳图片。飞船采用不同色素测量了太阳不同地方的温度，图片显示太阳不同地方存在很大的温度差异，蓝色光环表示温度为一万摄氏度。（2006年12月20日NASA官方网站）
太阳表面上那些丝带状“暗斑”——日珥，它们的运动和断裂可能与太阳外层气压和磁场有关系。太阳磁场对带电粒子的运动具有束缚作用，这种作用也更容易导致太阳低纬度区域更多带电粒子，核反应在高纬度地区更加猛烈一些，这些地区也就更加炙热。太阳低纬度区域的温度高、气压高，而高纬度区域的温度较低、气压也较低，因而日珥更容易向太阳两极飘移。另一方面，这些磁场影响到丝带状暗斑中带电粒子的运动，从而引发丝带暗斑快速发生扭曲，并使得所成型的椭圆形太阳黑子具有一定的自旋转特征。
太阳活动期时常可见到日珥这样的奇观现象，不仅是来自太阳内部一些剧烈核反应区域引发的物质抛射，而且太阳黑子坠落光球内层导致耀斑出现的同时也会发生物质抛射。这些太阳抛射物质因为较太阳光球位置高很多，故而在光球边缘容易观察到耳状形态——日珥现象。不过，我们更容易观察到来自太阳背面高纬度区域的太阳物质抛射现象，因为它不容易为光球发光所淹没，也不会像日珥运动过太阳表面而呈现丝带状“暗班”。当然，我们正对太阳面上所发生的太阳爆发，其所抛射的太阳物质高度是很难直接观察到的，不过，通过它们以太阳风的方式抵达地球引发地球磁暴的大小是可以获知该类别太阳爆发的强弱程度。我们对于日珥的消失方式确实有必要进行细致观测，它消失所需时间是否有其特定性也需要通过观测来确认。关于太阳黑子高于太阳光球的确证，我们同样也是可以采用如同观测日珥的方法来进行，不过，太阳黑子所处位置会大大低于日珥。
太阳黑子的形成过程可能同太阳系某些行星成型如出一辙。临近太阳的行星在太阳演化早期可能就是类似太阳黑子的表征。当太阳在体积上逐步收缩之后，行星也就逐步发育成型了。临近太阳的水星的怪异轨道可能保留着太阳黑子的影子。我们所居住的地球或距离太阳更远的行星，他们的运动轨道实际上都与所遭遇过的彗星或小行星碰撞迫使其改变轨道密切相关。
太阳黑子出现一直是非常古老而十分迷人的事件。我们相信，从如此角度所建立的太阳黑子新模型来讨论太阳黑子的形成和消解之谜，还可以通过数学方法进行计算和实际对照观测验证，将有助于推动天文学的发展。
2007年2月15日
参考文献
1. 李宗伟 肖兴华 著 天体物理学 高等教育出版社 2000年7月第一版
2. [法]Camille Flammarion 著 李 珩 翻译增补 李 元 校译 大众天文学 广西师范大学出版社 2003年1月第一版
阅读: 32599
| 
