本週特寫  
   

會轉的太陽

二零一八年九月 第一星期

 

大家每逢黃昏欣賞燦爛奪目的夕陽時,有沒有想過太陽並非恆久靜止,而是與地球一樣會自轉?

筆者最近獲得拜訪馬克斯普朗克天文研究所(Max Planck Institute for Astronomy, MPIA)的機會,嘗試探究太陽光譜和太陽自轉的奧秘。

馬克斯普朗克天文研究所位於德國海德堡王座山(Königstuhl)上,是馬克斯普朗克學會(Max Planck Society)轄下一所大型天文物理學研究機構,亦同時擔任向大眾推廣天文的角色。研究所現今已經有接近50年歷史,而比鄰的王座山天文台(Landessternwarte Königstuhl, LSW)亦已經有超過200年歷史。



普朗克天文研究所裡的Haus der Astronomie- Center for Astronomy Education and Outreach


海德堡(Heidelberg)是德國巴登—符騰堡州(Baden-Württemberg)的一座大學城,環境優美,光害較少。筆者到訪初期風和日麗,十分適合做天文觀察。而MPIA座落的王座山很少受光害影響,筆者有一晚望向天空,滿天繁星,美不勝收。



從海德堡城堡俯望海德堡舊市、大學城及內卡河(Neckar)


而要了解這些星星和太陽前,我們要先了解這些星光的本質。

我們中午時看見的日光差不多是白色的。在17世紀,英格蘭物理學家牛頓觀察到日光透過三稜鏡能夠散射出不同顏色的光,由此發現日光是由不同顏色的光所組成。這些我們肉眼可以看見的光就是可見光。



可見光譜


後來科學家發現光具有波的特性。波是物理現象的一種,是由特定源頭所產生向四周傳遞出去的週期起伏震蕩。例如光可以從燈泡、太陽等物體產生出來,水波則可以透過向平靜的水面扔下小石頭而產生。波能夠傳遞能量,所以我們曬太陽時候會感受到陽光的熱力。

科學家隨後陸續發現宇宙還有其他與可見光類似的波,例如無線電波、微波、紅外線、紫外線等等。現今我們可以利用這些波做不同的用途,例如微波爐或無線通訊等。1865年蘇格蘭物理學家詹姆斯‧克拉克‧馬克士威(James Clerk Maxwell)理解到這些波本質上與可見光是一樣的。這些波合稱為電磁波,性質由「波長」來決定,例如可見光的波長約在400納米至700納米之間,差不多是螞蟻身長的1500分之一,事實上可見光譜只是電磁波譜的一小部分。

不論可見光譜還是整個電磁波譜,科學家都可以從中發掘很多宇宙的資訊。不同物質對不同波長的電磁波會有不同的反應,它們會吸收或者放射出不同組特定波長的電磁波(顏色的光),形成光譜線,例如:





光譜線在化學、物理學和天文學等領域有很多重要應用,例如分析某物質的化學元素組成,研究恆星的溫度和磁場,或者測量不同天體的移動速度等。筆者在研究所與其他隊員一起用光譜儀分析太陽光譜上個別光譜線與地面上相應物質的光譜線,比較兩者之間位置的分別來研究太陽的自轉。





為何太陽會自轉?太陽出現之前,母體星雲受擾動而旋轉,其間星雲受重力影響持續塌陷而誕生太陽。受制於角動量守恆,生成後的太陽會以更高的角速度旋轉,而且自轉方向會同太陽系其他行星公轉方向相同。

另一方面,因為太陽是一個巨大熾熱氣團,自轉方式與硬繃繃的地球不同:在太陽表面不同緯度上的氣體有各自的自轉速度。筆者與隊員透過分析不同部分的太陽,同樣量度到此現象。


credit: NASA

地球每一天自轉一圈,對於太陽而言,赤道上的氣體需約24日左右才能轉完一圈,而極區上的氣體則需要超過35日才能完成一個週期,此現象稱為「較差自轉」(Differential Rotation)。木星、土星等氣態行星和其他恆星亦有「較差自轉」現象。透過研究太陽「較差自轉」現象成因有助科學家了解太陽的結構和歷史。


參考資料
Solar Rotation Varies by Latitude, NASA
https://www.nasa.gov/mission_pages/sunearth/science/solar-rotation.html
NIST Atomic Spectra Database
https://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html

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