太阳为什么安静了下来？
编译 / 谢 懿
太阳的奇怪行为也许隐藏着更为深层的内涵。在过去的十年里，太阳物理学家异常忙碌，竭力想弄明白太阳黑子日益扑朔迷离的周期变化，或者更确切地是为什么这些周期不见了。
天文学家都相信，太阳活动应该会像时钟一样遵循 11 年的周期。在这期间黑子、耀斑和日冕物质抛射会具有多寡和强弱的变化。但始于2008年的第24太阳活动周出乎意料地显现出了反常行为，将于2020年开始的第25太阳活动周预计也会如此。
第24太阳活动周黑子极盛期出现的时间几乎晚了1年，是100年内最小的极盛期。同时，第22、23和24太阳活动周表现出了太阳黑子数持续减弱走低的过程。因此，第25太阳活动周很可能会比第 24活动周更弱。
平静的未来
用来预言第25太阳活动周的首要指标是太阳的极区磁场。它显示下一个活动周会与目前的这个相似。这个指标在最近的4个太阳活动周中精确有效。但不幸的是，天文学家还无法精确预报太阳活动的长期变化，因为对于会再循环并放大磁场的太阳内部过程仍然缺乏很好的认识。
这一特定的行为给天文学家们提出了难题。此前的太阳活动周是否暗示了太阳未来的活动趋势？接下去的2个或者3个太阳活动周会如何变化？地球的气候会由此变冷而非变暖？我们对太阳的认识是否需要修补甚至大改？
第24太阳活动周是一个多世纪以来太阳黑子和磁场活动最弱的活动周之一。第24太阳活动周以及可能的第25活动周兴许都隶属于一个为期100年的格莱斯伯格周期，后者是根据太阳黑子记录提出的一个太阳活动周期。对太阳活动趋势及其磁场强度的分析表明，下一个太阳黑子极少期会非常弱，第25太阳活动周的活动水平会与目前的相当或者更弱。
在缺乏完善太阳发电机——产生太阳磁场的物理过程——理论的情况下，对于接下去几个太阳活动周的预期并不明朗。眼下，太阳表层下的流场似乎暗示第25活动周甚至会比目前的这个更弱，黑子数会小于100个。
虽然也注意到了目前的太阳活动正在进入减弱阶段，但仍有天体物理学家认为，之后的5～6个太阳活动周会逐渐增强，然后再在接下去的5～6个太阳活动周里逐渐减弱。
图1 太阳活动具有周期性。始于2008年的第24太阳活动周黑子极盛期出现的时间几乎晚了1年，是100年内最小的极盛期。同时，第22、23和24太阳活动周表现出了黑子数递减的趋势。下一个太阳活动周很可能会比目前的这个更弱。数据来源：太阳影响数据分析中心。版权：http://www.xmetman.com/。
图2 1749年1月至2016年12月的黑子数分布图。其中白色小方框为12个月均值，红线为11年滑动均值。图中可以清晰地看到从1790年到1830年间存在黑子的极小期，被称为道尔顿极小期。此外，20世纪初也存在2个较弱的黑子活动周。数据来源：太阳影响数据分析中心。版权：http://www.xmetman.com/。（图片处理：张一洁）
太阳活动周成因
太阳磁场决定了太阳活动周。这些磁场则是由太阳内部的较差自转产生的。在不同深度和纬度上，太阳内部的气体具有不同的转速，两极要比赤道转得更慢。太阳光球（可见表面）中的磁场因此会扭曲，导致了黑子的形成。
天文学家认为，太阳磁场是由其内部导电等离子体的动力学流动所产生的。这一流动产生了电流，造就了太阳发电机，进而造就了太阳磁场。较差自转的改变可以削弱太阳发电机。如果太阳发电机弱到一定程度，就会进入太阳活动大型极小期。最著名的是1645年～1715年的蒙德极小期。在这70年里太阳活动非常微弱，常常多年也见不到一个黑子。现在，太阳处于活跃状态，但却不同寻常的罕见黑子。这背后是什么原因？第24太阳活动周类似于 20世纪初的第14和15活动周，但真正的问题是始于1914年的第15活动周后续出现了多个强活动周。在没有完整太阳发电机理论的情况下，目前还很难知道到底是什么导致了弱黑子周。
在19世纪的大部分时间里，黑子数总体上偏低。但从1930年～1990年，太阳似乎又比通常更活跃一些。有天文学家表示，声称能“预言”太阳活动周强度的方法数不胜数，但绝大多数其实并不管用。就像一些科学家所提出的，如果太阳活动周强度确是一种混沌现象，那自然就没有办法来对它进行预报。但即便如此，太阳目前的行为也几乎是前所未有的。那黑子周是如何产生的呢？当太阳内部等离子体流的能量转变成磁能时，就出现了这些活动周。在黑子活跃区域中，出现在太阳表面的磁场会向着极区被输运，在这个过程中太阳南北向的极区磁场就会累积。
这些南北磁场会穿过太阳的对流层，在那里较差自转会把它们分剪开。这意味着，外层在赤道上自转得快，在两极自转得慢。不同于在前一个活动周时的南北向，这些剪切场此时变成了东西向，增强也会提升，进而从活动区的表面冒出来。一个活动周的强度由为期11年的太阳活动周初始时太阳极区磁场的强度决定。极区磁场的强度由上一个活动周中出现的活动区强度和数目决定。
磁性
随着恒星的演化，其自转会通过磁阻尼过程减缓。太阳很可能已经进入了一个新的、意料之外的、长期且更加宁静的演化阶段。
这一相对宁静的阶段也许会持续数千万年。于是，太阳的短期活动周最终会消失。但是，天文学家能确定太阳已经进入了宁静的中年期了吗？
要检验这一假说，需要监视大量类太阳恒星的活动。在太阳上，这一宁静期是否已经开启仍是一个有待回答的问题。不过，有天文学家表示，这一现象与太阳活动周最近出现的强度起伏无关。宁静期所暗示的是，在20亿年之前太阳应该会比现在更加活跃得多。
通过研究与太阳有着相似年龄和光谱型的恒星，天文学家发现，大多数类太阳恒星都具有与太阳类似的星冕X射线活动、色球活动和活动周。这些类太阳恒星中包括了距离地球45光年的天蝎18和距离我们仅约4光年的半人马αA。
但比太阳年老约20亿年的恒星，例如天鹅16A和B，似乎已经进入了长期的低活动性阶段。最近，天文学家使用钱德拉X射线天文台对天鹅16A和B进行了观测，惊讶地发现几乎探测不到它们的星冕X射线辐射。据估计，它们星冕的X射线辐射不足太阳的十分之一。
对此另一个有趣的检验是，观测与太阳同龄的疏散星团M67中的G型恒星，来确定它们的活动水平、自转以及黑子覆盖率是否与太阳的一致。太阳在光谱分类中为G2型。美国宇航局的开普勒空间望远镜已观测了这个星团，有关的数据正在分析中。此前对M67中G型恒星的研究显示它们具有与太阳类似的活动行为。
图5 欧洲空间局太阳轨道器将在近距离和高纬度上对太阳进行观测。它具有一条大椭圆轨道，近日点和远日点分别为0.09和0.28个天文单位。随着时间，其轨道面与太阳赤道面的倾角会不断增大，到标称任务结束时可达25°，在拓展任务阶段可进一步升高到34°。版权：ESA。
这些证据表明太阳正处于磁发电机活动的过渡阶段，但这可能要持续数百万年。那么，这是否会导致大型极小期呢？
研究显示，它也许并不会产生像蒙德极小期那样在几十年里看不见黑子的大型极小期，更可能会形成类似约200年前的道尔顿极小期这样的小型极小期。
道尔顿极小期包含了从1790年到1830年间的几个弱太阳活动周，此后的太阳活动便剧烈反弹。然而，目前的太阳甚至还没有减弱到在道尔顿极小期中所见的低水平。过往的证据与这一猜想——几个弱活动周总会导致大型极小期——相互矛盾。
天文学家关于太阳行为的理论是否存在问题或者需要修补？并非如此。目前还无法知晓的是在短时标（例如11年的太阳活动周）上磁场的行为是什么样的。这也正是大多数太阳物理学家正在研究的问题。眼下，有关太阳和恒星中磁场活动本质和演化的理论仍不完整，也不清楚这些弱活动周会如何影响气候。最近对太阳黑子数的重新校准更加清晰地表明，太阳对气候的影响极其有限，其光度（辐射输出）的变化只有0.1%。它对全球温度改变的贡献只有0.1℃， 太小不足以导致“小冰期”。
太阳黑子和地球气候
那么，太阳黑子数减小会影响气候吗？太阳活动影响全球气候的唯一方法是通过太阳影响地球的高层大气。
在太阳活动周内，太阳的光度最多只会变化0.2%。但是，太阳的X射线强度却可以变化6～8倍，而它在远紫外波段上的输出则可以变化20%。因此，如果高能太阳辐射通过某种未知的放大反馈机制作用于地球的热层和平流层，那它就会影响到地球低层大气的能量动力学，甚至在某种程度上改变地球的大气环流并在全球温度中引入小的改变。最近，空间探测器的观测开始让科学家们能够研究太阳内部动力学及其磁场与能量输出之间的关联。
为了搞清楚其背后的秘密，超级计算机正在更加真实的太阳物理学参数上来模拟太阳。但真正有帮助的将会是一个能在为期11年的太阳活动周里、从上方或下方来观测太阳极区磁场的探测器。
欧洲空间局计划于2019年发射的太阳轨道器意在开展这一观测，它将有助于更加精确地预报太阳黑子周。针对不同年龄的主序（正在燃烧氢）类太阳恒星，测量它们的X射线输出将会有助于搞清楚恒星磁场随年龄的变化规律。
天文学家也正在开始了解恒星活动与行星演化和宜居性之间错综复杂的关系。欧洲空间局的太阳轨道器和美国宇航局的帕克太阳探测器将会服务于这一目标。
不过，真正需要的是把现有的观测推广到一批与太阳极为相似的恒星上，专门来监视它们活动的长期和短期特性。此外，还需要一个由在关键物理参数上有别于太阳的恒星所组成的对照组，天文学家可以用它们来检验太阳磁场形成和演化的模型。
这会帮助科学家们认识特定物理参数的重要性，这些参数包括了太阳自转、对流层厚度、太阳有效温度、年龄和演化阶段等。太阳的对流层从产生光子的光球向下延伸约20万千米。在新的理论模型中需要描述太阳对流层的动力学和太阳自转之间是如何相互影响的。太阳轨道器将会揭示太阳表层之下对流层动力学的细节。
不过，太阳动力学和人类活动到底哪个会对气候产生较大的影响呢？有关的问题还涉及到太阳是否会放大或者削弱人类的影响。然而，太阳11年的活动周会对地球气候产生严重影响的论断是值得怀疑的。气候物理学家已经得出结论，在过去的几十年里太阳对全球温度变化的影响要远小于人类活动的因素。除非对太阳有更好地认识，否则太阳物理学家将无法在地球上的气候和太阳上黑子的多寡之间建立起确凿的关联。
（责任编辑 张长喜）
本文原载于《天文爱好者》2018年第10期——星空有约
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