太陽究竟有多大?它的邊界又是怎麼確定的?看看科學家們怎麼說

地球 核聚變 日食 太陽能 天文 化學 天文在線 2019-06-19

當你仰望天空,望向被稱為生命源泉的距離我們最近的恆星——太陽時,通常會看到一個閃耀著光芒的黃色圓圈。由於太陽實在太過炫目了,所以當你望向太陽一秒左右,就不得不移開視線。時至今日,即便我們已經具備了先進的科技手段,人們依然很難相信我們能夠得到一張足夠清晰的太陽圖片並藉此來確定它的大小,更不必說去推斷太陽的化學組成了。然而在如今,無論是太陽的尺寸還是化學組成,我們都已經有了準確的認識。

太陽究竟有多大?它的邊界又是怎麼確定的?看看科學家們怎麼說

顯然,我們人類無法親身到達太陽。太陽的核心溫度可達到2500萬華氏度(約1400萬攝氏度——譯者注),即便是太陽最遙遠的邊界——等離子態的日冕,溫度亦可達到350萬華氏度(約195萬攝氏度——譯者注)。由於這極高的溫度,發射一個登陸太陽的探測器並直接對它開展探測顯然是不現實的;況且,對天文學有所瞭解的讀者可能已經明白,恆星的構造分為若干個層次,遠比燃燒著的氣體球複雜。

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在這重重障礙之下,我們很難相信人類對太陽已有了如此深刻的瞭解。問題是……我們是怎麼做到的?在仔細探究人們是如何測量太陽的尺寸,並確定它的邊界這一課題之前,讓我們首先對太陽的物理性質一探究竟。

太陽的構造

我們可以簡單地把太陽的整體構造分為兩大區域,而這兩個區域又分別由三部分構成。下文介紹太陽的六個部分,其中前三者是太陽的實質結構,而後三者則圍繞著太陽大氣展開,這兩大區域有助於我們瞭解太陽的一些情況,這其中包括了太陽的大小、構造、以及壽命。

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核心

太陽的中心是一片緻密的區域,那裡極高的壓力和溫度足以引起核聚變(氫原子核在高溫高壓下互相聚合成氦原子核),由此釋放大量能量;而這一反應,也正是我們所看到的太陽光的來源。太陽核心大約佔到太陽半徑的25%,如前所述,這裡的化學構成是氫與氦。

輻射層

這一層濾過了因太陽核心的核聚變產生的巨量伽瑪射線。輻射層約佔太陽半徑的45%,依然是一個高壓環境。在這裡,能量不斷隨機反射,以“之”字型路徑上升到對流層。這一通向對流層的旅程可能會持續100萬年,在這期間能量不斷重複著被吸收,再通過熱輻射被釋放,這就導致了最終進入對流層的是能量水平較低的粒子。

對流層

對流層是太陽物理結構的最外層,約佔到太陽半徑的30%。在對流層中,有巨大的熾熱氣體柱(熱柱)湧向太陽的表面,就如同壺中的開水滾沸著湧向水面一般。熱柱所到之處,也就是太陽表面上能量得以釋放之處。太陽對流層中的溫度約為350萬華氏度(約195萬攝氏度)。

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圖解 : 太陽和一顆紅巨星的結構圖,顯示了它們的對流區。這些是恆星外層的顆粒區。

光球層

這是首個人們能直接觀測到的太陽結構,範圍是從太陽的表面延伸至其上方250英里(400公里——譯者注)。從這裡放出的光能,也就是每當太陽升起時,我們所見到的黃光!光球層位於太陽大氣層的最內部,這裡的溫度在6500-11000華氏度(約3600-6100攝氏度)之間。

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太陽表面的太陽黑子和周圍的詳細視圖。它們都位於光球層中。密集的細胞模式(與太陽黑子無關)是"米粒組織";單獨的細胞是"米粒"。

色球層

色球層距太陽表面250至1300英里(約400至2100公里)。這裡溫度變化劇烈,而且甚至要比位於色球層下方的光球層更熾熱——儘管這聽來難以置信。

日冕

日冕也許是太陽最神祕、最難得一見的結構了,這是因為,除非發生日全食,否則人們一般是觀測不到它的(除非使用日冕儀)。日冕的溫度遠遠高於其他太陽大氣層結構,竟可達350萬華氏度(約195萬攝氏度)——這與對流層持平!

日冕的上升沒有邊界,它延伸到太陽表面數百萬英里以外。關於日冕(包括它令人難以置信的高溫)仍然有很多未解之謎,但人們對日冕的探索從未止步!

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圖解:日全食,於短暫的全食階段可以用肉眼看見太陽的日冕。

太陽的邊界在哪裡?

上文中我們介紹了太陽的各個部分。但行文至此,我們仍然無法解釋“人類是如何知曉太陽的構成的?”“太陽有多大?”這兩個問題。為了回答這兩個問題,人們使用了兩種不同的方法,分別為光譜法和角參數

光譜學

大約在100年前,我們還無法準確地確定太陽的構成,直到數十年前,我們才對測定結果完全確信。本質上講,將太陽發出的光通過稜鏡,太陽光會被分解成顏色與彩虹一樣的彩色光帶,每種顏色代表不同能量的光。然而,我們從稜鏡中也會看到一些光線黯淡的“黑帶”,這意味著此處的光被某種元素吸收掉了。每一種元素都有自己獨特的光譜,由此推理,我們便可以得出太陽當中存在著哪些物質,以及它們的濃度如何。

太陽究竟有多大?它的邊界又是怎麼確定的?看看科學家們怎麼說

多虧了核天體物理學的研究成果,我們得以瞭解太陽當中各原子濃度的變化速率,由此可以得知太陽剩餘的燃料還有多少,進而可以推斷出太陽還可以在空中燃燒多久。

角參數

由於人類無法靠近到足以精確丈量太陽的地方,天文學家們只得改用數學手段來計算太陽的尺寸。如果從地球的視角仰望天空,想象自己所看到的一切都在一個360°的球體當中,就可以得出每一個天體的角度大小和角度距離。通過利用地球到被測天體的距離以及角度大小、角度距離,您可以使用一個已知量(如地月距離)來計算太陽的尺寸。如果我們測定天體的角度大小,並將角度大小與天體到地球的物理距離相乘,即可得到一個較為精確的直徑估值。通過利用這種方法,天文學家們確信太陽的半徑約為700,000公里。

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圖解:太陽與地球的大小對比

太陽的大氣層厚達數千公里,而日冕則延伸至太陽表面數百萬英里以外。

後記

至少可以說,天文測量是一門錯綜複雜、令人迷惑的學問,然而,為了測定天體的大小和距離,還是有一些哪怕是在自己家門口也可以使用的小訣竅的。儘管越來越多太陽內部的燃料被燃燒,太陽中的元素相對濃度發生變化,其大小也不斷地變化著,但太陽內部的燃料仍足以再燃燒40億年。由此可知,在可預見的未來裡,太陽的尺寸並不會有很大變化!

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. John Staughton- scienceabc

美國國家航空航天局(NASA.gov)

今日宇宙網(Universe Today)

康奈爾大學(Cornell University)

美國心理學會(American Phychological Association, APA)

泰勒-弗朗西斯出版集團(Taylor & Francis Group)

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