太陽是一團對流中的氣體,一個規模龐大、翻滾沸騰的宇宙烹調鍋

使用日出衛星的光學望遠鏡在2007年1月12日拍攝的,顯示出因為磁場極性的不同自然的電漿連接成纖維的區域|Photo Credit: Hinode JAXA/NASA@Wikimedia Commons Public Domain
我們想讓你知道的是

如果你拉近鏡頭、放大了看太陽,它的表面看起來幾乎就像一壺沸騰的水。隨著一股股熱氣流到達表面,你可以看到表面出現斑點——只不過,當你在廚房觀察一鍋沸騰的水,看到的泡泡只有幾毫米或幾厘米寬,但是太陽的這些「米粒」大約各自有一百萬公尺寬。

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文:葛琳(Lucie Green)

光子的祕密生活

我們學到了太陽透過核聚變的過程維持高熱,並且產生電磁輻射,這意味著我們現在知道光是什麼,以及陽光在哪裡產生——只不過,核聚變產生的是高能、危險的γ射線光子,根本不像我們在地球上認為理所當然,那種幾乎無害、繽紛多彩的陽光。謎團是:這種轉變究竟如何發生。

改變特性必定是在太陽內部發生的,因為從太陽到地球這八分二十秒的過程中,光子維持不變。這種質變,必定發生在光子從太陽中心到表面的旅程。

而這趟旅程,一顆光子要跋涉大約十七萬年。

我們現在看到的太陽光,剛開始這趟壯遊的時候,早期智人(archaic Homo sapiens)還沒真正演進得十分像現代智人。下次,你到戶外陽光下的時候,請花一點時間去感受,你看到的陽光,就像我們的種族一樣古老。

我們知道,即使光在真空中移動得極快(每秒三十萬公里),但通過其他物質的時候,速度就會慢下來。無論太陽內部發生什麼事,太陽都造成了光子減速,慢到令人難以置信。但並沒有完全阻擋下來:光子仍然慢慢爬過核心上方五十二萬兩千公里的氣體,終於抵達表面,平均一年三公里——那就是一小時不到半公尺。所以,雖然太陽內部並非完全不透明,但確實造成光子進入太陽系的旅程,變成一場艱鉅的任務。

第一個描繪太陽內部的模型,建構於一八六九年,大約是基希霍夫進行實驗的時候,但遠早於佩恩發現太陽的組成,以及終於了解核聚變是太陽能源之前。當時,就連太陽的物理性質,都仍然有所爭議,這個模型是萊恩(Jonathan Homer Lane, 1819-1880)的研究成果。萊恩是美國科學家,廣泛涉獵自然科學、工程、設計實驗等領域。對萊恩其人最深刻的描述,來自同時代人士紐康(Simon Newcomb, 1835-1909)的日記。

紐康是加拿大裔美國籍天文學家,有一次他在一份英國出版的《讀者》(Reader)週刊裡看到一篇文章。文章提出一個新的理論:太陽實際上可能是一團白熾的氣體,而不是熔融的液體,而後者是當時普遍流行的觀點。紐康決定和當地科學社團的幾個朋友分享這新知,其中包括一個他還不認識的人。據紐康形容,他是「一個外表奇特、舉止怪異的小個子男人,看起來很有學問……我甚至不知道他的姓名,因為除了他的古怪之外,沒有什麼會引起別人對他的興趣。」但紐康很快就明白,自己這次糗大了,犯了科學家堪稱經典的失禮:興沖沖地向某人描述一個理論,沒想到對方竟然正是最初提出這個理論的人。

萊恩認為太陽由氣體組成,這在當時是很有爭議的觀點,甚至還有人認為太陽的內部可能含有溫度較低的物質,冷凝成固體。不過,如果是氣體,那麼,萊恩知道——根據克耳文勛爵的研究——太陽的表面應該要比內部涼得多,而且密度也比較低。紐康後來成為萊恩的少數幾個朋友之一,還真的將他介紹給克耳文勛爵,也因此讓更多人接受萊恩的理論。

克耳文勛爵原名威廉.湯姆遜(William Thomson),一八二四年生於北愛爾蘭貝爾法斯特,但後來移居蘇格蘭格拉斯哥,由於做出幾項具有里程碑意義的科學發現,受封為「第一代克耳文男爵」。克耳文所提倡的理論是:太陽的能源來自太陽本身的重力塌縮。

本書中,偶爾我會提到「克氏」度或K,正是得名於克耳文的溫標單位。克氏(K)與攝氏(℃)的刻度大小一樣,只不過起始點低了二七三.一五度——從絕對零度算起,因此克氏溫標也稱為絕對溫標。例如,相當悶熱的室溫攝氏三十度,就是克氏三○三.一五K。在我們談論太陽的溫度時,經常動輒以百萬為單位,所以至少在千度單位也能四捨五入了,所以無論是使用攝氏的℃或克氏的K,在這裡其實差異微乎其微。

克耳文是以自己對地球大氣的理論分析為基礎,展開對於太陽結構的推理——因為物理就是物理,同樣的法則無論在宇宙的哪個角落皆適用。所以,從我們在地球上看到的情形出發,也許可以據以理解太陽的大氣。在地球的大氣裡,對流是很常見的現象:暖空氣上升,冷空氣下沉。這是因為大氣受到地球的重力拉扯才待在原地,於是較涼、密度較高的空氣,就會有更多質量被拉回下方,取代較暖、密度較低的空氣。同樣的物理原理也適用於你的廚房,煮沸一鍋開水的時候,你會看到一個極端的版本:在鍋底形成的低密度蒸汽,往上衝到表面。

克耳文認為,在地球的大氣裡,不同地方的空氣會形成一種溫度梯度:下方溫暖,而愈接近上方會漸漸地變得愈來愈冷。對流運動不會擾亂這種整體的溫度結構,反而會維持結構。運動中的任何一團空氣,就像鍋中的氣泡,會隨它所處在的壓力而膨脹或收縮,直到達到與周圍新環境相同的密度。這就會改變氣泡的溫度(編注:氣體膨脹時會降溫,收縮則會升溫,原理為「絕熱過程」,正是邁爾和焦耳建立的熱力學第一定律的應用。一團氣體膨脹時,推開周遭的粒子而對外作功,氣體內含的能量(溫度)就隨之下降。先前提及太陽星雲往內塌縮而變熱,是正好相反的過程),也會調整平衡,使其與周圍環境一致。

以地球的大氣類推,克耳文認為太陽這顆氣體球可能也處於對流平衡,一層層的氣體有不同溫度,愈接近太陽的表面,就會變得愈涼,因為能量在表面洩漏出去,進入太空。以此為基礎,萊恩根據既有的實驗成果,包括太陽亮度的測量值,以及熾熱物質如何發光,得出需要的數據。他計算了太陽內部氣體的溫度與密度的值,從中心往外推算,得到表面氣體溫度的估計。這個值已經相當接近我們今天知道的數字,差距在五倍之內。

克耳文與萊恩提出的這些概念,認為太陽是一大團對流中的氣體,一個規模龐大、翻滾沸騰的宇宙烹調鍋,相當符合觀測結果。十八世紀的天文學大師威廉.赫歇爾,在一篇一八○一年發表的論文中首先提到太陽有斑駁的外觀,他寫道:「波紋改變形狀與位置,增加、減少、分裂,然後很快消失。」

這些波紋現在稱為「米粒」;如果你拉近鏡頭、放大了看太陽,它的表面看起來幾乎就像一壺沸騰的水。隨著一股股熱氣流到達表面,你可以看到表面出現斑點——只不過,當你在廚房觀察一鍋沸騰的水,看到的泡泡只有幾毫米或幾厘米寬,但是太陽的這些「米粒」大約各自有一百萬公尺寬。我的研究工作使用到的衛星傳回一些驚人的視訊,可以看見太陽表面的活動。如果你有機會透過專業器材實際觀測,也許是本地天文社團舉辦的觀測活動,或是搜尋網路上的影像紀錄,這些是非常值得一看的奇景。

現代資料顯示,太陽的對流不只是赫歇爾看見的米粒組織那麼簡單。大的對流胞吞噬小的對流胞——就像一系列環環相套的俄羅斯娃娃。其中最大的對流胞,形成稱為「超米粒組織」(supergranulation)的特徵,在光球層上延伸超過三千萬公尺。然後,在「超米粒組織」與「米粒組織」的大小規模之間,有人提出介於中間的「介米粒組織」(mesogranulation)在循環。但這尚未得到證明,目前的共識似乎是:介米粒組織也許只是原始數據解讀過程中衍生出的假象(artefact)而已。

太陽的結構之謎看似在彈指間被輕鬆解決,但遺憾的是,克耳文與萊恩的太陽模型只是一個不完整的解釋——真的只是觸及「表面」而已。我們現在知道,太陽的「對流層」只從接近太陽表面向太陽中心延伸大約半徑的百分之十八而已。原來,對流發生的地方,只有一層非常脆弱的殼,而在那底下,在太陽深處,情況真的很不一樣。

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Photo Credit:Shutterstock.com
輻射層

我們在學校都學過,能量傳播的方式共有三種:對流、傳導、輻射。太陽最上方百分之十八是由對流主導;至於傳導,在整個太陽都不適用(傳導通常作用在固態);因此,將能量傳播穿透太陽內部其餘百分之八十二的方式是輻射,是由極大量嘗試擺脫束縛奔向自由的光子所構成。關於太陽內部的輻射,第一個符合現實的模型是愛丁頓提出來的,在這之前不久,他剛證實了愛因斯坦的重力概念,並且啟發了佩恩改變研究方向,從植物學轉到物理學。

「乍看之下,太陽與恆星的深深內在,似乎比宇宙其他區域都更不容易進行科學研究。」這是愛丁頓於一九二六年出版的《恆星的內部組成》(The Internal Constitution of the Stars)的開場白,本書後來成為史上最重要的天文教科書之一。在這本書裡,愛丁頓放棄了恆星內部能量傳播只靠對流達成的舊有概念,另外考慮了輻射的作用。

愛丁頓的研究成果之所以如此有影響力,以及對我們的故事如此之重要,主要原因在於:當他提出輻射是太陽內部能量傳播的主要方式,愛丁頓同時也提出一幅圖像,(終於)闡明了太陽內部氫氣氣體的真正狀態,以及這種狀態如何、為何能在光子從太陽的核心到表面的旅程中,使他們「變了模樣」。愛丁頓明白了太陽中的氫氣實際上是「電漿」,亦稱「等離子體」的形式,和我們現今的共識相同。

電漿通常被稱為物質的第四態,順序排在固態、液態、氣態之後。舉例來說,假設你在鍋子裡裝了水。低於攝氏零度時,全部的水會凍結成固體的冰;介於零度與一百度之間,水是液體;高於一百度,水就會沸騰,開始轉變為氣體。但是,如果讓蒸汽緊緊密封在鍋內,繼續加熱氣體,會發生什麼情形呢?會不會經歷另一種轉變?

不使用任何高壓來作弊,在正常大氣壓下,蒸汽加熱到大約攝氏一萬二千度,就會再次變化,成為物質的第四態:電漿。到了這個狀態,原子具有的能量非常大,克服了維繫在原子之間使之結合的電磁作用力。水分子就分解成了形單影隻的一顆顆氫原子與氧原子。再繼續給它們更多能量,本來構成原子之一部分的電子,就會開始脫離束縛著它們的原子核。這種中性原子變成帶電離子的過程稱為「電離」,很多粒子同時發生這種情況的時候,就會產生電漿。

太陽內部就是這樣的情況。嚴格來說,太陽並不是克耳文與萊恩所想的一大球氣體,而是一大球電漿。這是個常見的錯誤。一九九三年,搖滾樂團「明日巨星合唱團」(They Might be Giants)推出一張專輯,叫做《太陽為什麼會發光?》(Why Does the Sun Shine?)主打一首同名歌曲(這首歌是一首一九五九年歌曲的翻唱),其中有一句歌詞「太陽是一團白熾氣體」,幾乎完全引用萊恩的文字。我本來打算忽略這種常見的不精準,因為我喜歡任何關於太陽的歌曲,但後來「明日巨星合唱團」知錯能改,在二○○九年在 YouTube 推出了修正版歌曲:「說真的,太陽為什麼會發光?(太陽是一大坨白熾電漿)」(Why Does the Sun Really Shine? [The Sun is a Miasma of Incandescent Plasma])

太陽中心的極端溫度,意味著其中的原子被撕裂,變成了電漿。氫原子失去了原有的一個電子,氦原子失去了原有的兩個電子,鋰失去了三個,以此類推,到幾個較重的元素都是。一旦原子被剝掉了電子,只留下赤裸的原子核,而且,由於氫是太陽中最豐富的元素,因此電漿主要的成分就是飛來飛去的單顆電子與質子。這是γ射線光子照射進來的環境。那麼,這些γ射線光子又會怎麼樣呢?

現在有個好用的比擬,就是把光子(電磁輻射的量子)想成海上的陣陣波浪。如果你在海面上放置一個浮標,隨著下方的波浪湧動,你可以觀察到浮標反覆地上升、下降。如果有一道波長很短的海浪移動浮標,浮標就會快速上下擺動。假設另一道浪湧來,移動的速度與第一道浪相同,但波長比較長,浮標上下移動就沒有那麼頻繁了。

如果你有一個電磁浮標,利用某種裝置測量通過任何一個點的磁場與電場起伏盪漾,你會看到磁場與電場的強度連續地反覆脈動,從高到低,再從低到高。事實上,你確實有這樣的裝置,就是電視天線。通過天線的電磁波,造成金屬中自由漂移的電子快速振動,就會產生電流,然後電流攜帶的訊號就會被轉換成圖像與聲音。這裡的重點是,電子的作用就像電磁波的浮標。記住這一點,讓我們回到太陽。

相關書摘 ▶地球大氣99%被重力緊緊抓握著,太陽大氣卻可向外伸展70萬公里

書籍介紹

本文摘錄自《太陽科學:一千五百萬度的探索之旅》,貓頭鷹出版
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作者:葛琳(Lucie Green)
譯者:吳鴻

老祖先看待太陽的眼光是直覺、詩意且天真的。但近代物理的突飛猛進,解答了天文學家長久以來觀測到的現象,往日的困惑疑難也漸露曙光。我們對太陽這顆「單純的大火球」也徹底改觀,變得科學且精準,原來太陽深具「內涵」更兼具神祕之美。本書《太陽科學:一千五百萬度的探索之旅》作者葛琳,就是致力運用先進的太空科技(和一些匠心獨運的老科技)來一層層揭開太陽之謎的一名天文物理學家。或是如他們比較愛自稱的:太陽科學家。

集結整個科學界之力,我們如今明白了太陽核心如何進行核融合(這人類夢寐以求、試圖在地球上模倣的潔淨能源),但在那兒產生的光子卻命運坎坷,要在煉獄一般的稠密內部,歷經十七萬年的隨機衝撞才能逃脫;太陽的磁場更是最嘆為觀止的研究題材,強大、多變又複雜。神出鬼沒的太陽黑子、擾亂彗星尾巴的太陽風,甚至太陽系中最大的爆炸:太陽閃焰與日冕物質拋射,磁場都是幕後的元兇。就在人類越來越理解太陽的過程中,太陽仍不時發出突襲的怪招,更加令人迷惑卻也感到無比新奇。

雖然在充滿奇觀的廣袤宇宙中,客觀上太陽是顆各項條件中庸的恆星。但值得強調的是,也正是因為如此,複雜的生命現象、以至於能理解太陽自身的高等智慧才得以在地球上出現。人類的無盡好奇心,終究讓太陽獨一無二了起來!圍繞太陽科學,本書精心帶領讀者循序漸進、激盪腦力,一覽這顆恆星的美麗與狂野、浩瀚與簡潔。

太陽科學
Photo Credit: 貓頭鷹出版

責任編輯:潘柏翰
核稿編輯:翁世航

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