山海經中的“日金烏負日”與太陽黑子

來源：中國國家天文

/ 我國古人對太陽黑子的觀測

遠古時期，人們想要解釋太陽的運行，似乎只有飛鳥能夠承擔此任務，所以古代的《山海經‧大荒東經》提到“湯谷上有扶木，一日方至，一日方出，皆載於烏”。是說在湯谷這地方有扶桑樹，每天太陽都會到這裏來，它是由烏來載着在天空中運動，所以也就有“金烏負日”這種說法。在現存漢代的帛畫或墓畫都可以看到金烏負日的圖片。

馬王堆帛畫的二足金烏

後人推測，古人應該不是隻看到鳥在空中飛翔而有這種想象，而是在太陽上真的看到了有像烏鴉一樣的東西，所以在後來西漢的《淮南子‧精神訓》當中會有“日中有踆烏”的記載，不過在這裏踆烏的意思不大明確。到了東漢的王充就明確說出太陽上有種黑色的東西，但他不認爲是烏鵲，而是位於太陽表面的“黑氣”，所以之後如果有古人再看到現在所認識的黑子時，通常就會有“黑氣”等說法。皇權制度認爲太陽等其它天體與皇權有密切聯繫，它們的變化也就意味着天意。如果太陽上出現黑子，那就在一定程度上意味着天子、皇權有問題，所以皇權當中要有專責機構來觀測天體現象，這就使我國曆朝歷代一直會對太陽黑子或其它天體持續觀測和記載。比如在《漢書‧五行志》中就保存了現今公認最早的有明確日期的太陽黑子記錄：“河平元年三月乙未（公元前28年5月10日），日出黃，有黑氣，大如錢，居日中央”。這裏的日期、時間、大小、位於日面位置等信息都較爲清楚。

/ 伽利略的觀測

在歐洲，由於受到亞里士多德的影響，在17世紀前，人們通常會認爲天體是靜態的，只有地面萬物纔會變化，所以對於肉眼可觀察到的黑子會視而不見。到望遠鏡發明後，人們纔開始對黑子進行觀測和記載，最具代表性的當屬伽利略（Galileo Galilei， 1564-1642）。伽利略對太陽黑子所做最有意義的觀測，是在1612年夏天對黑子持續觀測數月。然而當時雖有望遠鏡的幫助，可做詳細的記載，但仍有人不相信那是聖潔無暇的太陽所有的現象，而認爲那是行星。伽利略持續數月的觀測說明那些黑點不可能是行星，而是太陽表面或大氣的東西。這時他還發現太陽會旋轉，週期大約是27天。

/ 陰錯陽差的發現

在伽利略後的一百多年，人們對黑子並不重視。等到19世紀有一個叫做施瓦布（Samuel H。 Schwabe， 1825-1867）的德國藥劑師想要藉由行星凌日的方式，尋找比水星軌道更靠近太陽的行星，於是從1825年開始做太陽黑子的手繪記錄。經過43年總共繪製了四千多張太陽黑子的圖片。

施瓦布沒有找到他所期待的行星，但長時間的觀測發現黑子數目會隨着時間增加、減少、再增加，他得出這數量存在一個10年週期的變化，這就是後人熟知的“太陽活動週期”，不過數值要修正爲11年。

/ 太陽黑子的變化會影響地球

另外一個同時期的英國業餘科學家卡林頓（Richard Carrington， 1826-1875），他對黑子本身很感興趣，每天只要天氣允許就觀測太陽黑子。在1859年9月1日這天早上，他把太陽影像投影在板上描繪黑子時，突然發現黑子中間區域瞬間增亮，又慢慢恢復，這讓他非常興奮。他事後把這現象彙報給英國皇家學會，當時他雖然對此現象感到激動，但不太瞭解其中意義。18個小時後，9月2日，格林尼治地磁臺站探測到非常強烈的地磁擾動，事後還發現在地球中低緯度都可見到極光的記錄。

卡林頓觀測到太陽黑子的A區與B區瞬間增亮（Carrington，1859）

這裏對照看一下當時在河北省石家莊附近所留下的記載：“秋八月，癸卯夜，赤氣起於西北亙於東北” （引自《欒城縣誌》），這對應的時間就是1859年9月2日晚，可見在當時中國緯度40度處也產生極光，相當罕見。這就引人好奇：這些現象之間會有什麼關係？不過最初發現時並沒有人對此深入研究。

/ 卡林頓的另外重要發現

卡林頓對太陽觀測還有另外兩個貢獻。他發現黑子出現在日面的位置並非隨機，而是有規律可循，在一個新週期中，這些黑子會隨時間從中緯度向低緯度遷移。如果把歷年黑子出現的緯度沿着時間軸繪出，就會得到下面的蝴蝶圖。

太陽黑子在日面位置變化的圖形，隨着時間繪出，即可得到蝴蝶圖

第三個重要的發現是卡林頓看到不同緯度的黑子轉一圈的時間不一樣，赤道自轉的比較快，極區轉的比較慢，現在精確測量顯示赤道大約25天轉一圈，極區則要35天才轉一圈。這種現象被稱爲“較差自轉”。

太陽的較差旋轉

/ 將耀斑與地表現象關聯起來

當年卡林頓看到黑子耀斑以及耀斑對地球的影響，並沒有受到重視，沒人意識到這些現象的關聯。在這之間建立起關聯的關鍵人物是德國科學家洪堡（A。 von Humboldt， 1769-1859），他是近代地理學的創建人之一。他曾在西伯利亞旅行中測量不同地方的地磁強度，也呼籲歐洲各國一起來做地磁監測。洪堡在哥廷根大學和他的朋友高斯一起組織一個跟地球磁場相關的協會，還在生前編纂了五卷本的鉅著《宇宙》。

薩拜恩（Edward Sabine， 1788-1883）是英國皇家學會的負責人，當他看到洪堡的《宇宙》這本書，讀到書中描述施瓦布有關太陽11年週期的記載，他對照自己的地磁暴記錄，發現地磁暴總是和極光有很好的對應，這些頻繁出現的時段剛好是施瓦布報導黑子數目多的時期。這就使他得到一個結論：太陽爆發活動會造成地磁的擾動。這就使得科學家開始對太陽黑子持續監測，並且還有人去編纂前人對太陽黑子的監測結果。

/ 歷時最長的科學實驗

這工作主要由蘇黎世天文臺臺長沃爾夫（Rudolf Wolf， 1816-1893）來承擔，他在19世紀50年代開啓持續對太陽的觀測並整理過去的記錄，這就使人類有了持續最長的科學實驗：四百多年的太陽黑子記錄。

從這記錄中可以看到施瓦布所提到的大約11年的週期現象。研究還發現在1700年之前的數十年黑子數量都很少，那階段被稱爲蒙德（Maunder）極小期，大約等到1755年數量的變化才恢復11年的週期，因此就把1755年開始稱爲第一個太陽周，目前前一個週期剛結束，在2019年無黑子的天數達274天，現在新的週期正開始，被稱爲“第25太陽周”，預期近幾年會看到越來越多的黑子，還會有大黑子出現。

基於數代科學家持續積累的、四百多年的數據，所繪製的太陽黑子數隨時間的變化圖

/ 從磁場切入對黑子的物理研究

想要理解黑子的本質，需要用物理學的知識來理解。1896年荷蘭物理學家塞曼（Pieter Zeeman， 1865-1943）發現，由原子能級間躍遷所產生的譜線，在足夠強的磁場中會分裂，分裂大小與外加磁場成正比，這就提供了通過譜線去測量磁場的有效方法。

美國天文學家海爾（George Ellery Hale， 1868-1938）最先把這項新的物理學發現用到黑子觀測上，從1908年開始，透過光譜儀觀測黑子，看到譜線分裂而得知黑子區域所對應的磁場是上千高斯，這是人們第一次在地球之外發現磁場。相較之下，地球的磁場不到1高斯，可見黑子區域的磁場相當大。

藉由塞曼效應探測太陽黑子區域的磁場

後續的研究告訴我們，不只是太陽，許多天體都會有磁場，這被認爲是20世紀天文的重要發現之一。磁場有個特性，即一定會南北極成對的出現，在太陽上也是。下圖是國家天文臺懷柔太陽觀測基地利用塞曼效應所得的太陽磁圖，圖上黑白的區域對應的就是正負極性的黑子，成對出現，自然會讓我們想到磁鐵的南北極。

太陽全日面磁圖/國家天文臺懷柔太陽觀測基地的觀測

另外可以注意的是，這些正負極排列基本上是大致平行赤道，但同時呈現一定的傾角，這就給我們一些提示來思考黑子與磁場的產生機制。根據黑子的觀測，我們可以判斷，黑子應該是來自太陽內部的磁通量往外浮現。

既然它來自內部，而它的結構基本上與赤道平行，這就暗示說有個像環一樣的磁流管，從內部往上升到表面，兩個足點對應着南北極。而根據我們對馬蹄形磁鐵的瞭解，它的磁場會從足部延伸到很遠的區域，因此推測太陽的磁場應該也會延伸到表面外的區域。那就得針對太陽不同高度大氣去觀測，實際觀測發現的確有這跡象，類似馬蹄形磁鐵的外延磁場。用X射線拍攝可以看到日冕的磁環，我們可以把它類比爲日冕的“骨架”。

觀測到的日冕磁環類似於馬蹄形磁鐵外由鐵屑構成的磁力線

太陽活動區上方不同高度大氣的觀測

/ 太陽極區的磁場

如果把太陽表面的磁場在經圈方向做平均，再把不同時刻的數據連接在一起，就可以得到類似前述“蝴蝶圖”的結果。從該圖可以看出，極區也有磁場，也有大約11年的週期性變化，極區磁場是由黑子所在區域的磁場向極區漂移而產生的。

太陽表面經圈方向平均的磁場在緯度方向的分佈隨時間的演化

/ 日球層

太陽磁場能延伸多遠，這大致對應日球層的概念。其邊界可理解爲太陽磁場和星際磁場勢均力敵的地方，尺度大約120 AU。太陽的磁赤道上下會有相反極性的磁場，這會產生延伸到整個日球層空間的電流片。在太陽自轉帶動下，產生如同芭蕾舞裙一樣的結構。太陽的磁場就像地球的磁場保護地球減少受到外來高能粒子的影響一樣，日球層的磁場也會屏蔽太陽系外的天體高能粒子進入。

[AU是天文單位（Astronomical Unit）的簡寫，這是指太陽到地球的平均距離，通常用於表達太陽系或行星系統中的距離。120AU代表太陽到地球距離的120倍。]

日球層的主要結構

/ 磁場的作用

太陽光球層的物質流動造成磁場的擠壓、扭曲、拉伸、變形，這些過程會把動能轉化成爲磁能，當能量累積到一定程度，滿足一定條件時就會產生耀斑或日冕拋射，釋放巨大能量。因爲磁場對高層大氣加熱，不同高度會對應不同的信息，下圖橫座標是從光球層往外的不同高度，縱座標則是對應溫度，從中可看到一開始原本往外是緩慢下降，但在距離日面約2千公里的高度，溫度從幾萬度迅速上升到百萬度，什麼原因造成的日冕高溫，這是太陽物理一直在探索的重大科學問題之一。

太陽大氣的溫度隨高度的變化，急劇升溫的地方是色球與日冕之間非常薄的過渡區

太陽表面的逃逸速度大約是600 km/s，而在日冕高溫下，會有一定比例的做無規則熱運動的粒子的速度超過這一數值，而形成太陽風。美國太陽物理學家帕克（Eugene N。 Parker， 1927-）在1958通過流體靜力學模型，從理論是預見太陽應該會有持續的物質往外流，等到1959年人造衛星升空觀測，很快得到證實。這顯示太陽是可以用理論去理解與預測，這也是空間科學的魅力所在。

/ 黑子和太陽周的成因

太陽的物質形態是等離子體，又因爲它有磁場，因此稱之爲“磁化的等離子體”，當等離子體磁雷諾數足夠大時，會產生“磁凍結”現象，簡單的說就是隨等離子體一起運動的任何封閉迴路所圍曲面的磁通量是不變的。磁場足夠強時，磁場主導，這是能看到前述日冕磁環的原因；當流場足夠強時，流場主導，磁力線像橡皮筋一樣被流場拉伸、扭曲，進而動能轉換爲磁能。

解釋太陽磁場產生機制的理論我們稱之爲太陽發電機，與我們日常生活中所熟悉的產生電流的發電機既有相同也有不同之處。太陽發電機具體是指通過一定的運動（旋轉、對流等），維持具有觀測到的週期性變化特徵的太陽磁場的磁流體力學過程。

[等離子體：氣體形態下，部份原子及原子團的電子被剝奪後的物質，宏觀下仍保持電中性。這被視爲固態、液態、氣態之外的物質存在的第四態，太陽就是屬於等離子體。]

此外，觀測給我們的啓發是，黑子應該來自太陽內部。我們通過恆星結構模型可以推測恆星內部結構，中心是氫聚變反應的區域，持續提供恆星發光發熱的能量來源，稱爲核反應區。核反應產生的能量會以輻射和對流等方式持續向外輸運，根據不同區域主導的能量傳輸方式的不同，人們把太陽內部分爲輻射區和對流區。磁流管的存在會抑制能量傳輸，使得局部區域的溫度偏低，相較於旁邊溫度較高的區域而言，這些地方就會顯現較暗。

黑子磁場的產生和由較差自轉的作用而產生的環向場有關。太陽有連接南北極的極向磁場，在較差自轉情況下，磁場會被扭曲拉伸，產生環向的磁場，這過程中因爲磁凍結不斷拉伸，有磁流管的局部地區磁場也會增強，造成磁壓強在內部的會比外部小，如果裏外溫度一樣的話，所對應內部的密度會比較低，因此會往上，浮現到太陽表面，形成太陽黑子。

在較差自轉的作用下，從極向場產生環向場的過程

因爲南北半球磁流管的方向相反，當它浮現時就可以看到前導-後隨相反的情況。太陽有黑子所對應的環向磁場，也有連接南北半球的極向磁場，這兩部分的磁場在一定的速度場作用下週期性的互相產生，就可以看到一個大約11年週期的變化。

/ 不同年齡的太陽活動

旋轉的太陽持續產生太陽風，還會有間歇性的物質拋射，這些物質的丟失，在磁場的影響下，就會使太陽的角動量持續的損耗，產生“磁製動現象”，使得太陽在一百億年的歲月中，旋轉速度不斷減小，這也連帶會使磁活動或黑子有所變化。

由於我們的觀測相較於太陽的漫長壽命太短暫，因此這方面得參考其他跟太陽類似的低質量恆星的觀測綜合來看。研究發現磁活動的特徵會隨着年齡增大而減小，同時其旋轉速度也會降低。越年輕的太陽/恆星，其旋轉會比較快，同時黑子面積所佔的恆星表面面積可能越大，日冕等磁活動也會越劇烈。雖然我們不能直接看到恆星的黑子的詳細情況，但是通過恆星表面的黑子對亮度的影響，知道黑子或磁活動的情況。下圖顯示的就是葉永烜老師和他學生對不同光譜型的恆星的光度變化、耀斑能量的研究結果，對於不同恆星、黑子尺度與耀斑能量都不盡相同，但這些黑子活動是普遍存在的。

不同類型恆星（紅色質量最低，再次依序爲綠色、藍色）的耀斑能量，可見其差異（Lin， Ip et al。， 2019）

/ 結語

渺小的人類對偌大的宇宙探索，常會問：我們在宇宙中是否孤獨？我們會希望找到跟地球一樣的地方，跟太陽一樣的恆星。雖然目前還沒找到，就算找到也不一定能過去。然而愛因斯坦曾說：這個世界最不可理解的事情是這個世界是可以被理解的。這話鼓舞着我們，希望通過物理、通過空間科學的相關知識，可以認識不同的天體、認識我們的宇宙。

這裏藉由介紹太陽黑子的相關研究，讓我們看到不同的學者在各自的時代中做出貢獻，一代代人不斷積累知識，再去創造新的知識，恰巧對應着橫渠四句教的其中兩句：爲往聖繼絕學，爲萬世開太平。我們在繼承前人的自然科學知識的基礎上發展自己的知識，探索宇宙。

/ 問答部分

1）山海經的“黑子大如錢”，這是多大？

答：這問到了中國古代文獻的核心問題，雖然有持續的記載，但很難被國際同行接受的原因在於這些記載相對定性，沒有量化。我們雖可通過模擬、實驗來估計，但很難給出個準確的數值。

2）（蒙德）極小期會不會再發生？

答：太陽周的產生過程涉及到隨機性機制，因此未來應該還會發生，但很難預測到來的時間。

3）古代人怎麼觀測太陽黑子？

答：伽利略時代是通過投射到紙上來將其繪製出來，這種做法延續到現在。望遠鏡發明以前只能通過肉眼在清晨或傍晚時去觀察。

4）大質量恆星的外層是輻射層，那黑子表面溫度是怎麼變低的呢？

答：我們目前研究集中在光譜類型在F型之後的，也就是外層是對流層的低質量恆星。對於更大質量的恆星，由於結構條件跟太陽不一樣，雖有共識它們仍有磁場，但許多細節仍不確定，有待深入研究。

5）將來中國首次發射的太陽衛星“先進天基太陽天文臺”（ASO-S），有什麼載荷？

答：這顆衛星有三個載荷，分別是：全日面矢量磁像儀（FMG）、萊曼阿爾法太陽望遠鏡（LST）、太陽硬X射線成像儀（HXI）。