太阳黑子：神秘天体现象背后隐藏着怎样的秘密？

概述

太阳黑子，也叫日斑，是太阳光球层的一种暂时状态，在可见光中表现为比邻近区域更暗的斑点，这种斑点是由强磁性活动压制了对流剧烈运动造成的，导致表面温度下降，形成了低温区域。它们的温度大概维持在3000-4500K，然而，同周围5,780K的环境相比，它们显得格外暗淡，如同微小的黑点，这是由于黑体（光球接近黑体）的辐射强度（I）和温度（T）的四次方成正比所致。倘若将黑子与光球分离开，它的亮度会超过电弧。它们运行经过太阳盘面时，体积会时大时小，最大宽度达到八万公里，所以无需借助望远镜，地面也能直接观测到。

太阳黑子历史

史前的形迹

地质学相关资料表明，太阳黑子的活动最少已经延续了数亿年时光；分析前寒武纪冰川融化层沉积的岩石，发现在厚度上反复出现的峰峦，彼此间大致相隔11年时光。科学家们推测，远古时期的地球大气层对于太阳辐射波动的反应，比现今更为强烈，并且当太阳黑子活动较为频繁的年份，往往会出现更多的冰川消融现象（以及更粗大的泥沙沉积）。

研究树木的年轮变化，同样能够获取清晰且具体的太阳活动周期记录：通过树轮年代学研究，以及放射性碳含量的分析，可以追溯到11400年前太阳黑子的活动情况，这个时间跨度远远超过了人类用肉眼直接观测太阳活动四百年的相关资料记录。

早期的观测

现存最早的太阳活动记录见于公元前364年，由中国天文学家甘德编制的星表所载。

西方文化记载的首例太阳黑子现象见于公元前300年，源自古希腊学者泰奥弗拉斯托斯的研究。

中国古代典籍《淮南子》提及了太阳黑子现象，成书时间约在公元前140年。而《汉书·五行志》对公元前28年发生的黑子有更详尽的描述，原因是那一年，为帝王服务的中国天文学家开始系统性地记录太阳黑子活动。

公元807年3月17日，本尼迪克特的僧侣阿得尔姆斯发现天上有颗大黑子，能被肉眼看见，持续了八天之久；然而阿得尔姆斯却误以为他看到的是水星经过太阳盘面的情况。在查理曼于813年去世那一年，太阳上又出现了大黑子。伍斯特的约翰记录了1129年出现的太阳异常现象，艾维罗斯也提及了12世纪关于太阳黑子的见闻；然而，这些记录长期被误认为行星掩星，直到1612年伽利略才阐明了其真实性质。

17世纪和18世纪

英国天文学家托马斯·哈里奥特以及法里孙群岛的天文学家约翰内斯·法布里奇乌斯和大卫·法布里奇乌斯，是首批在1610年后期借助望远镜观测太阳黑子的学者，他们于1611年6月提交了相关报告。随后，伽利略才向罗马的天文学家展示了黑子现象，与此同时，克里斯托夫·沙奈乐或许已经利用他个人设计并改进的太阳观测设备，持续观察太阳黑子已有两三个月时间。接着出现了关于优先权的争执，不清楚是伽利略还是沙奈乐先掌握了这项研究，然而这完全没必要，而且非常费力。

太阳黑子对太阳系核心的探讨具有一定意义。它们能够证明太阳正在自转，而且它们的出现与消失表明太阳会发生变化，这与亚里斯多德的观念大相径庭。在哥白尼的日心说之外，要解释清楚这些现象的运动细节相当困难。

鲁道夫·沃夫想要创建一个记录历史周期与变迁的资料库，尽管太阳黑子的系统观察和技术应用是从1610年开始的，但他的资料库只覆盖到1700年为止。古斯塔夫·史波勒在更晚些时候提出了大约七十年的循环理论，因为1716年以前黑子出现的次数相当少，所以沃夫无法将这个周期研究拓展到17世纪。经济学家威廉姆·斯坦利·杰文斯指出太阳黑子活动与商业危机存在关联性，他推测太阳黑子现象会改变地球的气候状况，进而波及农作物生长，最终传导至经济领域。

根据史波勒的研究，蒙德指出太阳黑子曾在太阳表层完全不见，并于17世纪末重启活动周期。17世纪后期关于太阳黑子的记录十分稀少。深入分析后发现，并非观测数据不足，而是资料中掺杂了错误的记录。其他观测也显示，没有黑子的时段里，极光活动同样减弱，甚至确认在1715年以前的日全食期间，也没有观测到日冕现象

十七世纪下半叶，出现缺少太阳黑子的时段，称作蒙德极小期，时间从1645年到1715年。

19世纪

太阳黑子活动存在周期性波动，这一现象由海因利希·史瓦贝于1826至1843年期间发现，其后沃夫便着手展开系统性的研究工作。沃夫数用于统计单个黑子与黑子群的数量。与此同时，约瑟·亨利在1848年还通过投影技术将太阳黑子映照到幕布上，并证实了其温度较太阳其他区域存在明显差异。

太阳黑子活动再度活跃，海因利希·史瓦贝于1844年通过《天文学的新消息》揭示太阳黑子数目存在循环性波动。

1859年9月1日，太阳向地球发射了威力巨大的日珥，由此引发了卡灵顿事件。这一现象导致电报通讯中断，同时让南方的哈瓦那、夏威夷及罗马地区均观测到了极光，南半球也出现了类似的景象。

长期观察揭示，太阳黑子活动在日面纬度上的变化呈现规律性模式。起初，几乎全部黑子都集中在±30°纬度带内。当太阳活动达到高峰，黑子常出现在±15°区域，并逐步向低纬度迁移，最终在±8°处消亡。前一个周期的黑子尚未完全消散，后一个周期的黑子又已在±30°纬度附近出现。以黑子的纬度作为纵轴，以时间作为横轴，绘制出的黑子分布图呈现出蝴蝶形状，因此被称为蝴蝶图或史波勒图。众多学者对这种图示的含义进行了探讨，然而至今仍未得出明确的解释。

21世纪

2003年11月4日19:27，全球统一时间，人造卫星捕捉到一次极为剧烈的闪焰现象，测量设备记录到长达11分钟的读数溢出。据推算，在编号R486的区域，爆发的X光辐射强度达到了X28的水平。无论是通过全息图还是肉眼观察，都能发现该活动区域即便已经移动到太阳的背面，依然呈现出显著的活动迹象。

根据最新的红外线光谱分析，太阳黑子的活跃程度可能将要终止，这预示着新一轮的极小阶段即将到来。2007年到2009年期间，太阳黑子的数量明显少于正常水平。2008年更是异常，有73%的时间段内观测不到太阳黑子，即便以极小期的标准衡量也属罕见。仅在1913年与之相仿，那一年有85%的时间段内未发现黑子现象。太阳仍旧承受着这般煎熬，到了2009年12月中，才显现出近些年最显著的太阳黑子群，不过，太阳黑子的活跃程度依然没有达到常规水平。

2006年，NASA曾预计下一个太阳黑子峰值年大约是2011年，当时黑子相对数预计在150到200之间，这个数值比第23个太阳活动周强30%到50%。该机构还预测第25个太阳活动周会比较微弱，大约在2022年出现。然而，这个预测并未实现。实际情况是，到了2010年，本应是极大期附近的时间段，太阳黑子活动却依然处于极小值，表明太阳的活动程度非常低。

2011年，印度加尔各答科学教育研究所的南迪提出了一种电脑模型，解释了太阳黑子隐匿的现象，该模型基于2008至2009年的观测数据，分析了太阳内部构造、磁场能量产生机制、能量传输路径，以及太阳黑子重新获得能量并重新浮出水面的过程。后来看到，传送带把快要消失的太阳黑子拉入太阳中心那里补充能量，不过这次过程速度太快，导致黑子没能完全恢复活力，结果它没法从太阳里面重新冒出来。

活动周期

太阳黑子数量在十一年的变动周期里会急剧增加，接着慢慢减少，尽管人们知道太阳黑子有十一年的循环规律，不过它有时也会跨越很长时间段。比如，在1900年到1960年期间，太阳活动高峰期的黑子数目持续攀升，而到了1960年以后，数量则有所回落。这些年来，太阳黑子的活跃程度显著超越了以往的均值，这种情况最接近的是八千年前的状态。

光球受到的行星潮汐力和太阳黑子周期可能因重力的联结而共振。

物理性质

一个成熟的太阳黑子包括一个较暗的核心区域和边缘较亮的区域，其中心凹陷深度约为500公里，黑子常常成对或成群出现，多数情况下由两个主要黑子构成，其中西侧的黑子称为“前导黑子”，东侧的黑子则被称为“后随黑子”，较小的黑子直径大约为1000公里，而较大的黑子直径则可达到20万公里。

太阳黑子形成的具体过程还在探究中，不过从可见光角度观察，太阳黑子像是太阳对流层里的磁力通道，受自转影响发生了盘绕。当通道内压力超过某个阈值，就会像弹性带般扭曲，接着穿透太阳表层。在穿透位置，对流层活动受到压制，能量输出和表面热度随之降低。

威尔逊效应表明太阳黑子是表面凹陷的区域，使用则曼效应的观测揭示出典型的太阳黑子进出对的磁场极性是相对立的，前导黑子和后随黑子（以太阳自转为参照）的磁性会经历从北/南到南/北的转变，并在下一个周期再次逆转，而且太阳黑子往往成群结队地出现。

太阳黑子本身可以分成两个部分：

磁力线多数情况下会彼此推开，所以太阳黑子本该迅速消散，然而它们的持续期通常长达十四天左右。太阳与太阳风层探测器（SOHO）近期借助穿透太阳光球层的声波，成功绘制出内部构造的清晰图景，揭示出每个太阳黑子底部存在密集的磁力线，并构成强大的逆时针旋转的旋涡。太阳黑子与地球上的台风颇为相似，是一种能够自我强化的风暴现象。

太阳黑子活动大致每十一年经历一个轮回，这个轮回中黑子活动最为活跃的阶段叫做顶点期，而黑子活动最为沉寂的阶段则称为低谷期。在轮回的初始阶段，黑子通常在较高的纬度地带出现，随着接近顶点期，它们出现的纬度会逐步向赤道方向迁移：这种现象符合史波勒法则。

沃夫数反映太阳黑子活动强度，其指数值在多个周期中呈现规律性，其中以大约11年为一个周期的平均数最为突出，这个周期性特征同样在许多其它类型的太阳活动观测数据中得以验证，并且与太阳磁场极性转换的周期存在密切关联性。

乔治·海尔开拓了现代对太阳黑子的理解，他发现了太阳磁场与黑子之间的关系，海尔提出太阳黑子的周期为22年，这包含了太阳磁场两次磁偶极的转变过程，后来巴布科克提出了太阳外层的动力学理论，巴布科模型说明了磁场因为太阳自转而发生扭曲的现象，这个模型解释了史波勒定律的原因，同时也描述了其它相关效应。

观测

地基天文台和地球轨道的太阳望远镜共同监测太阳黑子活动，这些望远镜配备多样化的滤镜和相机，并运用投影技术直接呈现影像，借助分光镜和太阳单色光观测镜，可以细致分析太阳黑子及其周边区域，通过人工日食现象，能够观测到太阳边缘，并观察黑子从中浮现的过程。

直接用肉眼凝视太阳会损害视力，因此业余观测太阳黑子时，常借助投影法形成图像进行间接观察，或者使用防护性滤光片，少数深色玻璃滤镜，比如#14的焊工玻璃，也能达到效果，在没有滤镜时，能将望远镜的目镜投射的图像映在白屏上，直接观测，甚至可以追踪，并观察太阳黑子的发展变化。专用Hα窄带滤光镜，还有铝膜玻璃减光镜，因光学密度极高，外观像镜子，能装在望远镜前端，保护设备，让人能通过目镜安全观测。

任何减光程度，业余观测都不宜采用滤色镜，除非是专为观测太阳设计的那个。其余的滤色镜无法给予充分防护，在看不见的光谱区间，可能对视觉造成损害。若用双筒镜或望远镜配合滤色镜直接观看太阳，务必仔细遵循生产者的使用说明。一般情况下，这些滤光片要安放在仪器的物镜那边，远离观察端，原因是仪器汇聚的热量和光线同样会毁坏位于目镜那头的滤光片，并且马上会伤到眼睛。要牢靠地固定好滤光片，还要检查辅助设备，比如导星镜，它们也必须有遮盖物，因为它们汇聚的光和热同样会造成伤害。直接用光学仪器观测太阳表层存在潜在风险，必须掌握相关认知，同时落实安全防范举措。

应用

太阳黑子与其它类型太阳活动存在相互关联，能够预知太空气象及电离层情形。据此，太阳黑子可辅助判断短波电波的传输状况，或是对卫星通讯进行预测。

其它恒星的星斑

1947年，杰拉尔德·克朗指出星斑解释了红矮星亮度呈现周期性改变的现象。从1990年代中期开始，借助愈发先进的科技手段观测星斑，已经获取并累积了数量更多、内容更详尽的资料：亮度变化揭示星斑的增减过程呈现类似太阳的周期性特征；通过解析因塞曼效应引发的谱线偏移，能够审视星斑所在区域的结构特征；多普勒图像表明部分恒星的星斑存在与太阳不同的较差自转现象及其分布特征；对谱线的测量则可以确定星斑与恒星表面的温度区间。1999年，史崔斯梅尔研究发现K型巨星三角座XX上的星斑，其温度为3,500K，为该天体上温度最低的星斑，不过这些低温星斑与温度较高的4,800K星斑共存于同一区域。