400年前的太阳黑子素描帮助解开现代太阳之谜

研究人员利用现代技术重新研究了约翰内斯-开普勒（Johannes Kepler）被遗忘了一半的太阳黑子图，揭示了大太阳黑子最低点之前的太阳周期的隐藏信息。日本名古屋大学领导的一个国际合作小组通过重现这位伟大天文学家的观测条件，并根据现代统计学应用斯波勒定律，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目睹的太阳周期之前的太阳周期尾端。

根据开普勒（Johannes Kepler）1607 年 5 月用暗箱照相机观测太阳绘制的最早的太阳黑子图。资料来源：开普勒，J. 1609，Phaenomenon singulare seu Mercurius in Sole, Thomae Schureri, Lipisiae

该研究小组的研究结果发表在《天体物理学杂志快报》上，为解决有关17世纪初太阳周期持续时间的争议提供了一把钥匙。大太阳极小期是一段异常延长的低太阳黑子活动期，对于研究人员了解太阳活动及其对地球的影响非常重要。

根据开普勒的观测结果，研究人员提出了太阳周期-14和-13之间的周期边界范围（如红线所示），并与基于太阳黑子记录的太阳黑子（群）数量重建结果进行了比较（蓝色曲线（Svalgaard & Schatten，2016年）和周期14C数据重建结果（黑色曲线（Usoskin等人，2021年）和绿色曲线（Miyahara等人，2021年））。作者的重建与极短和极长太阳周期（绿色）的争议性说法相矛盾，而符合有规律的太阳周期（黑色）。资料来源：早川久博士

开普勒因其在天文学和数学方面的历史性成就而闻名于世，他在最早的太阳黑子望远镜绘图之前，于 17 世纪初用仪器记录了太阳活动的最早日期。他使用一种被称为"暗箱照相机"的仪器，在墙上开一个小孔，将太阳的图像投射到一张纸上，从而勾勒出太阳的可见特征。

1607 年 5 月，他记录下了被误认为是水星凌日的景象，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性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，影响着太阳辐射和空间天气。

该研究的主要作者早川久认为，研究人员没有充分认识到这一发现的重要性。他说："由于这一记录并非望远镜观测，因此只在科学史的背景下被讨论过，并没有被用于对17世纪的太阳周期进行定量分析。但这是有史以来用仪器观测和投影绘制的最古老的太阳黑子草图。我们意识到，只要我们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，即太阳表面特征的位置，这幅太阳黑子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。"

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

17世纪太阳活动的重要启示

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"毛德极小期"（观测史上独一无二的太阳极小期）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极值的，只知道这种转变是渐进的。以前的一种基于年轮的重建方法声称，太阳活动周期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），并将这些反常的太阳活动周期持续时间与从常规太阳活动周期过渡到太阳活动大极小期的前兆联系起来。

名古屋大学的Hisashi Hayawa说："如果这是真的，那确实很有趣。那么，我们应该相信哪一种重建呢？用独立的记录--最好是观测记录--来检验这些重建是极其重要的。"

解密历史上的太阳周期

开普勒的太阳黑子记录是一个重要的观测参考。通过分析开普勒的记录，并将其与同时代的数据和现代统计进行比较，研究人员有了几个重要发现：

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置于较低的日照纬度上。这表明开普勒在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不一致，后者显示太阳黑子位于太阳圆盘的左上方。

其次，通过应用斯波勒定律和从现代太阳黑子统计中获得的知识，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鲜明对比，后者显示太阳黑子出现在更高纬度地区。研究小组成员、WDC SILSO 观察员托马斯-蒂格（Thomas Teague）说："这显示了从上一个太阳周期到下一个太阳周期的典型过渡，符合斯波勒定律，"这里指的是德国天文学家古斯塔夫-斯波勒（Gustav Spörer），他描述了太阳黑子在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，从而缩小了太阳周期发生的可能日期。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，这就对在此期间太阳周期极长的其他重建方法提出了挑战。

继承开普勒的遗产

早川解释说："开普勒的遗产不仅仅是他的观测能力，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。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。在这里，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面对技术限制的毅力。"

比利时皇家天文台研究员萨布丽娜-贝谢特（Sabrina Bechet）补充说："正如我的一位同事告诉我的那样，看到历史人物的遗留记录在几个世纪后仍能向现代科学家传递重要的科学意义，这真是令人着迷。我怀疑他们是否能想到他们的记录会在很久以后，也就是在他们去世很久以后才惠及科学界。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。就开普勒而言，我们是站在一位科学巨人的肩膀上"。

编译自/ScitechDaily