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太陽活動極小期如何影響地球的新說法

臺北天文館_96
・2011/06/16 ・1676字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

人類從1611年開始系統性的記錄太陽黑子的出現與消失。黑子的數量消長約有個平均11年的週期,黑子數量愈多代表太陽活動愈劇烈,太陽表面發生爆發事件的頻率也愈高。不過,其實每個太陽活動週期中出現的黑子數量都不相同;2008年時,是進入太空紀元後,最長也最弱的太陽活動極小期( solar minimum),由於有許多嶄新的太空儀器可以測量太陽的各項活動狀況,因此科學家得以詳細研究太陽極小期的細節。

然而,根據觀測結果,太陽活動對地球磁場的影響(地磁效應,geomagnetic effect),例如極光及磁暴等的極小期強度的確也是一世紀以來最低的程度,但極小期發生時間並未與太陽磁場活動盪到谷底的狀況同步,而是晚了8個月左右。美國航太總署(NASA)噴射推進實驗室(JPL)太空氣象科學家Bruce Tsurutani等人表示:依慣例,太陽活動極小期是用太陽黑子的數量的訂定的,由此得出2008年為最近一次極小期;但若依地磁活動來看,則極小期發生於2009年。這些科學家嘗試找出找出這個時間延遲現象的原因。

地磁效應基本上就是地球對太陽磁場變化的反應量,可經由磁力計(magnetometer)測量地表的磁場強度而得到此量。地磁效應通常無害,最明顯的出現訊號就是接近地球兩極的極光變化而已。然而,在極端案例中,地磁效應會引發地表電力供應網故障,或是誘使長度較長的管線產生危險電流,這些都可能會危害到地表生物,因此瞭解地磁效應隨太陽的變化,是非常必要的事。

這些科學家以三項因素來決定太陽藉由太陽風傳輸到地球磁圈(magnetosphere)的能量多寡:一為太陽風速度,二為地球磁圈外的行星際磁場(interplanetary magnetic field)強度,三為行星際磁場的方向。此外,太陽風有大量向南的分量,還必須與地球磁圈連結,傳遞能量。

首先,這些科學家注意到在2008年和2009年,行星際磁場是1960年代進入太空紀元之後最低的,這顯然也會造成地磁活動減弱,但因地磁效應並未隨太陽活動週期在2008年降到谷底,因此這必然不是唯一的影響因素。

再來,他們利用NASA的ACE(Advanced Composition Explorer)衛星所偵測的資料來檢視太陽風速度;ACE位在地球磁圈外,大約是朝太陽方向約160萬公里遠的地方。檢視結果顯示太陽風速度在太陽黑子極小期時仍維持很高的速度,黑子數量極小期過後才開始逐漸穩定降低,與地磁效應降低的時程和趨勢相符。

接下來就是要瞭解造成太陽風速度和地磁效應降低的原因;Tsurutani等人發現嫌犯很可能就是所謂的冕洞(coronal hole)。冕洞是太陽最外層大氣中較暗而冷的區域;快速太陽風(fast solar wind)會從冕洞向外衝出,速度可達每秒800公里左右,但太陽風速度會因在太空中擴散而逐漸降低。

美國國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research)太陽科學家Giuliana de Toma表示:在太陽極小期時,冕洞通常出現在太陽的極區,因此會影響到地球的太陽風大概都只是來自這些冕洞邊緣地帶者,所以速度不會太快。但在2007和2008年時,冕洞不止如往常般只出現在極區;甚至到2008年底時,在太陽低緯地區都還有冕洞現身,冕洞中心區對著地球的結果,就會朝地球方向送出快速太陽風。一直到2009年,這些冕洞出現位置才逐漸靠近太陽極區,地球所感受到的太陽風速度因而慢了下來,地磁效應和極光活動也隨之降低。

這麼看來,冕洞似乎會減少行星際磁場向南的分量。太陽風所攜帶的磁場會在從太陽到地球的途中不斷振盪,這些波動就是所謂的阿耳芬波(Alfvén waves)。從冕洞中心出來的太陽風有大規模的波動,意味著向南的磁場分量也很大。然而從冕洞邊緣出來的太陽風,波動比較小,向南分量當然也比較小。所以,太陽低緯度的冕洞所造成的向南磁場分量大,與地球磁圈連接的效果比較好,所造成的地磁效應當然也比較大;相較之下,中緯度或極區的冕洞所造成的效應就比較小。

將以上的3種影響因子—低行星際磁場強度、比較低的太陽風速度、比較小的磁場擾動—加在一起,就製造出完美的地磁極小期發生環境。瞭解造成地球上強烈地磁活動的主要原因後,未來或許就可改善地磁暴事件的預報。因此,這些科學家計畫要進一步研究讓行星際磁場強度降低及形成日冕洞的原因等,因為,雖然所有的這一切都是太陽活動週期的一部分,但也同時是地球活動的一部分,與我們息息相關的事,當然是能愈瞭解愈好。

資料來源:http://www.jpl.nasa.gov/news/news.cfm?release=2011-181, 2011.06.14, KLC

本文引用自臺北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

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