1607 年约翰内斯·开普勒的太阳黑子草图惊现

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德国天文学家约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler）在 1607 年根据对太阳表面的观察绘制了太阳黑子的草图——几个世纪后，这些开创性的草图正在帮助科学家解开一个太阳之谜。

尽管太阳系中的一切都围绕着太阳旋转，但科学家们尚未揭开这颗恒星的许多秘密。

然而，研究太阳随时间的变化，包括太阳周期，可能会回答一些关于这个炽热天体及其如何变化的最长期存在的问题。

其中一些问题围绕着 17 世纪的太阳活动，这是研究太阳的关键时期。

天文学家于 1610 年首次通过望远镜观测到太阳黑子。与此同时，太阳正在进行一次不寻常的转变，进入一个活动减弱的延长时期。而开普勒长期被忽视的草图，因其是绘图而非望远镜观测结果而被忽视，却可能提供关键的历史见解。

一项重现开普勒绘制草图时情形的新研究于 7 月 25 日发表于《天体物理学杂志快报》。

“开普勒在 17 世纪为天文学和物理学贡献了诸多历史标杆，甚至在太空时代也留下了其遗产，”主要研究作者、名古屋大学空间 - 地球环境研究所助理教授 Hisashi Hayakawa 在一份声明中说。

“在此，我们补充道，开普勒的太阳黑子记录比现存的 1610 年的望远镜太阳黑子记录要早几年。他的太阳黑子草图证明了他在面对技术限制时所具备的科学敏锐性和毅力。”

太阳的剧烈活动

太阳的活动存在一个 11 年的增减周期，此周期被称为太阳周期。

目前，科学家们认为，太阳正在达到或接近太阳活动极大期，这是当前被称为第 25 个太阳周期的年度活动峰值。

太阳活动极大期通常与太阳表面可见的太阳黑子数量增多有关。

这些黑暗区域，其中一些可能达到地球般大小甚至更大，是由太阳强大且不断变化的磁场所驱动的。

如今，科学家们利用来自地面和太空观测站的数据、太阳表面的磁场图以及太阳外层大气的紫外线观测来跟踪太阳活动。

但在几个世纪前，仅仅试图观测太阳就是一项艰巨的壮举。

来自科罗拉多州博尔德市国家海洋和大气管理局空间天气预报中心的研究科学家马克·米施（Mark Miesch）表示，人们通过雾、霾、野火烟雾或在日出或日落附近用肉眼观察到太阳黑子，当时大气有助于减弱太阳的亮度。米施没有参与这项新研究。

开普勒使用了一种叫做暗箱的仪器，它利用仪器壁上的一个小孔将太阳的图像投射在一张纸上，并画出了他所观察到的特征。开普勒错误地认为自己在 1607 年 5 月捕捉到了水星在太阳轨道上的运动，但 11 年后他撤回了该报告，并确定自己观察到的是一组太阳黑子。

早川说：“由于这一记录并非通过望远镜观测所得，它只是在科学史的背景下被讨论过，并未用于 17 世纪太阳周期的定量分析。”

“但这是有史以来通过仪器观测和投影制作而成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，并重建当时的日面坐标倾斜度——即太阳表面特征的位置——这幅太阳黑子图应该能够告诉我们 1607 年太阳黑子的位置，并指示太阳周期阶段。”

一次大的太阳活动极小期

米施表示，太阳黑子并非科学家了解太阳变化的唯一渠道。

当宇宙射线撞击地球大气层时，它们能够改变其化学构成，其中就包括碳的平衡。

“随着时间的推移，这种碳会被融入植物和动物，甚至我们人类自身，”米施说道。

树木年轮为追踪从一年到下一年碳的变化提供了独特的契机。古老树木中的一些年轮能够追溯到数千年前。碳和其他元素的同位素同样能够通过被困在冰川冰芯里的气泡来追踪。

米施称，树木年轮和冰芯中所捕获的碳同位素已被用于将古代太阳黑子观测纳入背景之中，并在太阳黑子观测出现之前增进我们对太阳活动的了解。

在这个所谓的大太阳活动极小期，太阳黑子近乎消失，少数被观测到的仅出现在太阳的南半球。

大太阳活动极小期的背景机制至今仍被天文学家所争论，尤其是当他们试图厘清它在未来几个世纪何时以及是否会发生的时候。

但天文学家一致觉得，太阳活动的模式是从常规周期逐渐转变为大极小期的。

一项此前的树木年轮分析显示，一个短暂的太阳周期，即太阳周期 -14，仅有大约五年时长，并引发了一个长达 16 年的极长太阳周期，称作太阳周期 -13。

“如果这是真的，那确实挺有趣的，”早川说道。

于是，他把目光投向了开普勒的草图。

早川及其同事翻译了开普勒用拉丁语撰写的原始报告，旨在弄清楚他的太阳黑子草图的确切方向，同时缩小开普勒进行观测的时间范围和地点。

早川随后探访了布拉格的几处地点，其中包括开普勒在法国王冠的住所以及宫廷机械师贾斯特斯·布尔吉的工作室，以更好地了解开普勒观测太阳黑子的地形状况。

现代数据工具使早川和他的同事能够计算太阳黑子的倾斜度并确定其在太阳上的位置。他们还应用了施波勒定律，该定律首先由英国业余天文学家理查德·克里斯托弗·卡林顿观察到，但由德国天文学家古斯塔夫·施波勒进一步发展，他描述了太阳黑子在一个太阳周期内从高纬度向低纬度的迁移。

研究小组认定，开普勒所观测到的太阳黑子群处于第 -14 个太阳周期的末尾，而非第 -13 个太阳周期的开端。

这些发现支持了第 -13 个太阳周期的常规持续时间为 11 年而不是 16 年的观点。研究人员还能够估计第 -13 个太阳周期可能在 1607 年至 1610 年之间开始。

“这表明了根据施波勒定律从前一个太阳周期到下一个周期的典型过渡，”该研究的合著者、比利时皇家天文台太阳影响数据分析中心的观测员托马斯·蒂格在一份声明中说。

鉴于在过去三个世纪中所记录的最长太阳周期持续了 14 年，早川表示，是时候为蒙德极小期寻觅另一个科学前兆了。

开普勒的不朽遗产

比利时皇家天文台的研究员萨布丽娜·贝谢（Sabrina Bechet）也是该研究的合著者，她表示

“正如我的一位同事告诉我的那样，看到历史人物的遗产记录在几个世纪之后仍能向现代科学家传达关键的科学意义，这着实令人着迷，”贝谢说。“就开普勒而言，我们正站在一位科学巨人的肩膀上。”

早川表示，开普勒的草图有助于为正在进行的有关导致蒙德极小期的太阳周期的辩论提供信息

他说：“通过将开普勒的发现置于更广泛的太阳活动重建之中，科学家们获得了关键的背景，用以解释这个关键时期太阳行为的变化，这标志着从常规的太阳周期到太阳活动极小期的转变。”

米施称这项新研究是“一项令人印象深刻的工作”，并且也是从历史记录中挖掘新见解的侦探工作的一个范例。

“太阳黑子观测的悠久历史提供了一条贯穿时代的纽带，连接着一代又一代的天文学家，他们怀着崇敬和好奇的心情看待太阳，从迷信发展到科学审查再到理解。看到过去的天文学家继续为科学发现做出贡献，这令人鼓舞。随着我们的技术社会越来越容易受到太阳活动永不停息的兴衰影响，他们的努力如今比他们所能想象的还要重要。”