开普勒400年前的草图解开太阳之谜

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翻译：贺玉影

校对：牧夫校对组

编排：陈宏宇

后台：朱宸宇

原文链接：https://phys.org/news/2024-07-kepler-sunspot-solar-mysteries-years.html

最早的太阳黑子图画。根据开普勒1607年5月用暗箱进行的太阳观测而绘制。制图：约翰内斯·开普勒

利用现代技术，研究人员重新研究了约翰内斯·开普勒那几乎被遗忘了的太阳黑子图，揭示了原本不为人知的有关大太阳极小期（grand solar minimum）的信息。

通过重现这位伟大天文学家的观测条件，并以现代统计学运用斯波勒定律，日本名古屋大学领导的一个国际合作小组测量了开普勒太阳黑子群的位置，将其置于托马斯·哈里奥特、伽利略·伽利莱和其他早期望远镜观测者后来所目睹的太阳周期之前的太阳周期的尾端。

小组的研究结果发表在《天体物理学杂志快报》上，为解决17世纪初太阳周期持续时间的争议提供了关键信息，这一周期与从常规太阳周期到被称为蒙德极小期（Maunder Minimum）的大太阳极小期的过渡有关。

大太阳极小期是一段异常长时间的太阳黑子活动低谷期，对于研究人员了解太阳活动及其对地球的影响非常重要。

开普勒的重要观测

开普勒以其在天文学和数学方面的历史性成就而闻名，他于17世纪初最早用仪器记录了太阳活动，早于最早的望远镜太阳黑子图。他使用一种被称为暗箱的仪器，包含墙上的一个小孔，通过它将太阳的图像投射到一张纸上，让他画出了太阳上的可见特征。

在1607年5月，他记录下了被误认为是水星凌日、后来被证实是一次太阳黑子群观测。太阳黑子是太阳表面因强烈磁场活动而显得较暗的区域。它们的出现、频率和纬度分布呈周期性变化，影响太阳辐射和空间天气。

该研究的主要作者Hisashi Hayakawa认为，研究人员低估了这一发现的重要性。

“由于这一记录不是由望远镜所观测，所以只在科学史中讨论过，还没有在17世纪太阳周期的定量分析中使用过。”他说：“但这是使用仪器观测、依据投影绘制的最古老的太阳黑子草图。”

“我们发现，只要设法缩小观测点和时间范围，并重建当时太阳地理坐标的倾斜度——即当时的太阳表面特征的位置，这幅太阳黑子草图就应该能够告诉我们太阳黑子的位置，并指出1607年的太阳周期阶段。”

根据开普勒的观测，研究人员提出了太阳周期-14到-13之间的周期边界范围（用红线表示），并与基于太阳黑子记录的太阳黑子（群）数量重建（蓝色曲线，Svalgaard & Schatten，2016）和树轮14C数据（黑色曲线，Usoskin等，2021；绿色曲线，Miyahara等，2021）进行了比较。作者的重建结果与极短和极长的太阳周期（绿色）这一有争议的说法相矛盾，而与常规的太阳周期（黑色）相符合。

十七世纪 天文学的关键时期

这些观测数据之所以重要，是因为17世纪是太阳周期的关键时期，不仅是太阳黑子观测刚刚开始的时期，也是太阳活动从正常太阳周期过渡到蒙德极小期这一观测史上独一无二的大太阳极小期的时期。

目前还不完全清楚太阳活动的模式是如何从有规律的周期转变为大太阳极小期的，只知道它是渐进的。以前的一种基于树环的重建方法声称，太阳活动周期的序列包括一个极短的太阳活动周期（≈ 5 年）和一个极长的太阳活动周期（≈ 16 年），并将这些异常的太阳活动周期时间与从常规太阳活动周期过渡到大太阳极小期的前兆联系起来。

“如果属实，这确实很有趣。但是，另一种基于树环的重建显示了一系列持续时间正常的太阳周期。”Hisashi Hayakawa说：“那，我们该相信哪种重建呢？用独立的——最好是科学观测的——记录，来检验这些重建，是极其重要的。”

四个主要发现

开普勒的太阳黑子记录是一个重要的观测参考。通过分析他的记录、将其与同时代的数据和现代统计资料进行比较，研究人员得出了几个重要的发现：

首先，在对开普勒的太阳黑子图进行“投影”并对太阳位置角进行补偿后，他们将开普勒的太阳黑子群定位于较低的太阳纬度上。这表明开普勒在他的书中绘制的著名的太阳图像示意图与开普勒的原文和两幅暗箱图像并不一致，后者显示太阳黑子位于太阳圆盘的左上方。

本文作者之一的E. T. H. Teague于2024年5月11日拍摄的裸眼太阳黑子群。

其次，通过应用斯波勒定律（Spörer's law）和现代太阳黑子统计知识，他们确定该太阳黑子群可能位于太阳周期-13的尾端，而不是太阳周期-14的开始。

第三，他们的发现与后来的望远镜观测结果形成了反差，后者显示太阳黑子位于更高纬度。WDC SILSO 观察员、研究小组成员托马斯·蒂格说：“这显示了一个典型的从上一个太阳周期到下一个太阳周期的过渡，符合斯波勒定律。”德国天文学家古斯塔夫·斯波勒描述了太阳黑子在一个太阳周期中从高纬度向低纬度迁移的现象。

第四，这一发现使作者能够近似地推测出1607年至1610年间上一个太阳周期（-14）和下一个太阳周期（-13）之间的过渡，从而缩小了太阳黑子迁移发生的可能日期的范围。在此基础上，开普勒的记录表明太阳周期-13的持续时间是有规律的，挑战了在此期间提出极长周期的其他重建方法。

开普勒的遗产

“开普勒的遗产不仅仅是他高强的观测能力，它还为目前关于从常规太阳周期向莫德极小期过渡的争论提供了信息，莫德极小期是1645年至1715年间太阳活动极度减少和半球异常不对称的时期。”

早川解释说：“通过将开普勒的发现置于更广泛的太阳活动重建中，科学家们获得了解释太阳行为在这一关键时期变化的重要背景，这一时期标志着从常规太阳周期向大太阳极小期的过渡。

“开普勒在17世纪为天文学和物理学贡献了许多历史基准，甚至在太空时代也留下了他的遗产。”Hisashi Hayakawa说：“我们进一步证明了开普勒的太阳黑子记录比现有的1610年望远镜太阳黑子记录还要早几年。他的太阳黑子草图证明了他的科学头脑，和不屈于技术限制的毅力。

比利时皇家天文台研究员Sabrina Bechet补充说：“就像我的一位同事说的，看到古人的历史记录在几个世纪后仍能向现代科学家传达重要的科学意义，真是太有趣了。”

“不知道他们想过没有，在自己身故很久，他们的记录还会惠及科研界。除了科学史本身之外，我们仍然可以从这些历史人物身上学到很多东西。比如说开普勒，我们都站在这位巨人的肩上。”

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

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