今日天文恒星从诞生到死亡第五章读书笔记(五)
5.太阳
5.1太阳的物理性质
1.太阳时维持地球上生命所需的光和热的唯一来源。太阳时一颗恒星------一颗由其自身重力支撑的气体发光球，由其中心发生的核聚变提供能量。
2.太阳的一些总体属性：
3.可以通过测量太阳黑子或其他表面特征在日面上横穿的时间，来估量太阳的自转。着些观测表明太阳约一个月自转一周，但太阳并不是一颗固态天体。相反，它有着较差自转------如同木星和土星------赤道地区自传快而两极地区自转慢。
4.赤道上的自转周期约为25天。纬度(南北纬)60°以上从未发现过太阳黑子，但在60°纬度上的太阳黑子表明自转周期是31天。
5.应用辐射定律到太阳的观测光谱上，可以测得太阳的表面温度。太阳辐射的分布形状近似于一个温度为5800k的物体的黑体曲线。用这种方法获得的太阳温度被称为太阳的有效温度。
6.太阳半径为地球半径的100倍以上，质量是地球质量的300000多倍，表面温度远高于任何已知物质熔点。
7.太阳表面不是固态的，确切地说是某种明亮气体球的一部分。这种"表面"------太阳的一部分，发出我们可见的辐射------被称为光球层。太阳的半径约为700000km。然而，光球层的厚度可能不会超过500km，不到太阳半径的0.1%。
8.在光球层之上是太阳的低层大气，即色球层，约有1500km厚。光球层之上1500~10000km是被称为过渡区的区域，在这里温度陡然升高。在10000km以上，并延伸到远处，是稀薄的，炽热的上层大气------日冕层。在更遥远的地方，日冕转化为太阳风，远离太阳并深入到整个太阳系。光球层向下延伸20000km是对流层，在这里，太阳的物质不断地进行对流运动。对流层之下是辐射区，在这里，太阳能量通过辐射被传输到表面，而不是通过对流。
9.辐射区和对流区一般统称为太阳内部。太阳中心的核，半径约为200000km，是剧烈的核反应区域，生成太阳所输出的巨大能量。
10.太阳向天空各向同性地辐射出大量的能量。让太阳光垂直通过某光敏装置，我们能测量到每平方米地表面每秒钟所接收到地太阳能。每秒钟到达单位面积的太阳能大小被称为太阳常数，其值约为1400瓦特每平方米。
11.来自于太阳的能量约有50%~70%到达地球表面；剩下的被大气截获(30%)或者被云层反射(0~20%)。
12.太阳光度的计算过程(附图5.2)：
13.标准太阳模型
表5.1
5.2太阳内部
1.理论模型通常首先假设太阳处于流体静力学平衡状态------向外的压力正好抵消向内的引力。这种正反作用力之间稳定地平衡是太阳不会由于自身重力而坍缩或爆炸进入星际空间的基本原因。
2.因为太阳的质量非常大，所以它的引力牵引也非常之强，所以需要非常高的内部压力才能保持平衡。这种高压随之需要非常高的中心温度，这是我们了解太阳能量生成至关重要的事实。
3.太阳谱线的多普勒频移测量揭示了太阳表面的震荡或颤动，像一组复杂的铃铛一样。如图5.3a所示，这些震荡是内部压力波(类似声波)导致的，它们不断地在光球层上发生反射并穿过太阳内部。
4.如图5.3b所示。由于这些波能穿透到太阳深处，所以分析它们在表面的振动模式可以研究远在太阳表面之下的内部条件。
5.对太阳表面震动模式的研究通常被称为日震学，尽管太阳压力波与太阳地震活动没有任何关系------因为根本没有太阳地震这样的事情。
6.根据标准太阳模型，图5.4显示了太阳密度和温度与离太阳中心距离的函数关系。有下面的描述：
7.太阳的温度也随着距太阳内部的半径增加而降低，但不像密度那样迅速降低。计算机模型显示核心的温度约为1500万开尔文，符合引发为大多数恒星提供能量的核反应最少需1000万开尔文的已知条件，在光球层内，温度降低至观测所得的5800K左右。
8.星震学指出，太阳的自转速度随深度而变化。然而这种较差运动的复杂性。表面层显示的某种"纬向流"，高于或低于平均自转速度的条带交替排列。而在表面之下则是宽广的低速自转(赤道)或高速自转(极区)的"江河"。对流层底部的物质似乎以自转速度振动，有时比表层快些(大约10%)，有时慢些，周期约为1.3年。
9.炽热的太阳内部确保了气体粒子之间猛烈而频繁的碰撞。粒子向各个方向高速运动，不断地互相碰撞。粒子向各个方向高速运动，不断地互相碰撞。在核内和核心附近，极端高温保证了气体是完全电离的。
10.从核心向外移动，温度下降，原子碰撞的频率和烈度降低，越来越多的电子保持束缚在母核上。随着越来越多的原子保留下能吸收逸出辐射的电子，太阳的内部气体从相对透明变成几乎完全不透明。
11.在辐射的外边缘，距离中心约500000km处，太阳核心产生的所有光子会被吸收掉。它们没有一个能够到达表面。
12.光子的能量必须要从太阳内部传送出去：我们可见的太阳光------可见的能量------证明了能量的逃出。
13.逃出的能量以对流的方式到达表面------我们在研究地球大气时见到了相同的基本物理过程，尽管这发生在太阳这种截然不同的环境里。炽热气体向外运动，而上部较冷的气体下沉，构成对流单元的一种特征模式。通过太阳气体的物理运动，所有能量穿过对流层，被输送到表面。
14.当辐射作为能量传播机制时，物质没有物理运动；对流和辐射时两种完全不同的将能量从一处传播到另一处的方式。
15.图5.5描述了太阳对流层原理。对流单元有着层次结构，在不同深度由许多不同大小的层。最深的层位于光球层下约200000km，包含有直径达数万千米的大型单元胞。热量不断地由一些列不断增多的较小单元胞逐步向上输送。
16.对流层最高层的顶端就是太阳可见的表面，天文学家能够在这里直接观测到单元胞的尺寸。低一层是由计算机模型推断出来的。
17.在距离核心较远的地方，太阳气体变得过于稀薄，无法维持进一步的对流上升。太阳大气不再有对流运动的原因是那里的气体密度太低。导致了原子或离子因太少而不能拦截太多的太阳光，气体因此再次变得透明，辐射再次成为能量传输的主要机制。
18.如图5.6是一幅太阳表面的高分辨率照片。可见表面是高度斑驳或颗粒状的，忽明忽暗的气体构成是被称为米粒组织的区域。几百万个米粒组织聚集在一起，构成对流区的顶层，正好在光球层之下。每个米粒组织形成一个太阳对流单元胞的顶端部分。
19.米粒组织的不同亮度变化完全源自于温度的不同。上升的气体要炽热些，因此发出的辐射要比较冷的，向下的运动的气体多。相邻的明亮和黑暗的气体区域看起来似乎十分不同，但实际上它们的温度差异不超过500K。
20.超米粒组织是非常类似于米粒组织的流动模式。随着米粒组织的运动，物质从单元胞的中心上涌，在表面流动，然后再次从边缘沉没回去。
5.3太阳大气
1.如下图5.7的明亮背景和暗黑吸收线都几乎是在太阳的同一位置处形成的------太阳的光球层和色球层的底部。
2.光球层之下，太阳气体的密度足够致密，光子，电子和离子之间的相互作用十分普遍，因此辐射不能直接进入太空。然而在太阳大气中，光子逃离而不与物质发生进一步相互作用的概率取决于光子能量。
3.如果光子能量正好对应于气体中的原子或离子的某些电子跃迁能量，那么在它传播到更远之前，光子就可能会被重新吸收------适合吸收的元素类型越多，光子逃离的可能性越低。相反，如果光子能量不符合任何类型的跃迁，那么光子将不会进一步与气体发生相互作用，它将离开太阳。
4.当我们看太阳时，我们实际上看到的是一定深度的太阳大气，深度取决于所研究的光的波长。波长异于任何吸收特征的光子在太阳气体中穿过时，或者光子来自光球层深处时，它不太可能与物质发生相互作用。
5.吸收线相比周围的背景要暗些，因为它们的形成处的温度要比光球层底部的温度低一些，而大部分的连续发射是来自于光球层。
6.光球层之上时较冷的色球层------太阳大气层的中间部分。这一区域本身发出的光很少，正常情况下不能被观测到。光球层太过明亮了，主宰了色球层的辐射。
7.色球层的相对微暗也源自于它的低密度------每单位体积内包含原子数目非常稀少的稀薄气体，不能释放出大量光子。
8.下图5.8显示了日全食时的太阳，这时被月球遮挡住的是光球层------而不是色球层。色球层独有的红色清晰可见，这种颜色是由于氢元素的红色Hα发射线产生的，这一谱线主宰了色球层的光谱。
9.色球层每隔几分钟，就有小的太阳风暴爆发，生成被称为针状物的炽热物质喷流，喷向太阳上层大气。
10.针状物在太阳表面不是均匀分布的。相反，它们仅占太阳总表面积的1%，倾向于聚集在超米粒组织的边缘。这些区域的太阳磁场也略高于平均水平。
11.在发生日食的短暂时刻里，如果月球的角尺寸足够大，以至于光球层和色球层都被遮挡住，那么就可以看见幽灵般的太阳日冕。
12.光球层发出的光线被去掉后，谱线特征发生显著改变。常见谱线的强度发生改变，从吸收谱到发射谱的变化完全遵循基尔霍夫定律，因为我们在黑暗的宇宙背景下看到日冕，而不是在来自于光球层的明亮连续谱之下看到日冕。
13.新谱线的出现是因为日冕中的原子相比光球层里的原子多失去了几颗电子------也就是说，日冕里原子的电离度更高一些。
14.导致大量电子剥离的原因是日冕的高温。色球层上层的温度远远超过光球层的温度。如图5.9展示了太阳大气温度变化。
15.电磁辐射和快速移动的粒子------多数是质子和电子，随时随地地在逃离太阳。
16.辐射以光速远离光球层，用8min地时间到达地球。粒子运动得更慢，尽管以约500km/s的速度运动，但到达地球需要几天的时间。这些不断逃离的太阳粒子流就是太阳风。
17.太阳风来自于日冕的高温。日冕气体炽热的足以摆脱太阳的引力，它们开始向外流入太空。
18.实际上太阳实在"蒸发"------不断的通过太阳风脱落质量。
5.4太阳磁场
1.如图5.10黑暗的区域被称为太阳黑子，通常直径约为10000km，近似于地球的大小。如图所示，黑子经常成群出现。在任意给定的时刻，太阳可能会有成百上千的黑子，或者也可能没有任何黑子。
2.黑暗中心的本影被灰暗的半影所环绕。下图的特写视图显示了这样的黑暗区域，附近是没有收到干扰的明亮的光球层。黑色的渐变实际是由于光球层温度的渐变造成的------太阳黑子就是比光球层气体温度低的区域。
3.黑尔有关太阳磁场的发现是根据观测太阳黑子Hα线的塞曼效应(磁场对谱线的致宽或分裂作用)而得到的。最重要的是，这样可以确定磁场的强度和磁场线的视线方向。
4.一个典型太阳黑子的磁场比其邻近的，没有扰动的光球层区域的磁场强约1000倍。
5.磁场线的方向并不是随机的，相反大致是直接垂直于太阳表面。科学家认为，太阳黑子比周围环境温度低是因为它们异常强大的磁场趋向于阻碍炽热气体的对流运动，而这种对流通常是朝向太阳表面。
6.太阳黑子的极性简单地表明了它地磁场相对于太阳表面地直接指向。我们将那些磁场线从内部向外出现地太阳黑子标记为"S"，而那些磁场线潜入光球层之下地黑子标记为"N"。
7.太阳黑子几乎总是成对地出现，成员大都位于同一纬度但磁极性相反。图5.11(a)说明了磁场线如何穿过黑子对中的成员，图5.11(b)展示了一幅太阳磁回路地真实图像。图中可见高温气体沿着连接两个太阳黑子群地复杂磁场线网络运动。
8.在同一太阳半球上，所有地太阳黑子对在任一瞬时都有着同样的磁场构型。
9.如果某个黑子对中前导黑子极性为N，那么这一半球中所有前导黑子极性都为N。同一时刻在另一半球上，所有黑子对都有着相反的磁场构型。
10.较差自转和对流运动的结合从根本上影响了太阳磁场的性质，进而成为决定黑子数量和位置的重要因素。如图5.12展示了较差自转和对流运动对太阳磁场的影响。
11.太阳的较差自转扭曲了太阳磁场，在太阳赤道附近"包裹"住太阳磁场，并最终导致任何原始是N-S极性排列的磁场重新定向为E-W排列。同时，对流运动导致磁性气体涌出太阳表面，形成扭曲并缠绕的磁场模式。
12.有时，磁场会变得很强，以至于能够克服太阳的引力，一个磁场线从表面突涌而出，环状通过太阳低层大气，形成一个太阳黑子对。
13.太阳黑子周期是通过多个世纪的观测发现的，黑子的平均数目每11年或大约11年达到极大。
14.如图5.13所示。在太阳黑子活动周期内，太阳黑子出现的维度在发生变化。新的黑子出现在靠近赤道的位置，老的黑子同时会消失在高纬度地区，独立黑子不会沿维度上下运动。
15.每个活动周期开始时，处于太阳活动的极小期，只能看见几个黑子，它们被限制在太阳赤道以南或以北，纬度约在25°~30°的两个狭窄区域内。大约在周期开始四年后，即太阳活动极大期，太阳黑子的数目显著增加，出现在赤道南北纬度15°~20°之内。最后，在活动周期的末期，即太阳活动极小期，黑子的数量再次下降，大多数黑子位于赤道南北10°内的地方。
16.每个新活动周期的开始似乎都叠加在前一个周期的结束之上。
17.太阳表面活动，如太阳黑子周期，只是遵循着磁场的变化。随着磁场线在赤道附近缠绕的越来越紧，在磁场线的增强并最终衰竭的共同作用下，造成了黑子数目的变化和向低纬度的迁移。
17.有许多年，太阳黑子周期完全消失了。从1645年到1715年时太阳不活动的漫长时期，被称为蒙德极小期。
5.5活动的太阳
1.大多数的太阳光来自于光球层的连续发射。然而，叠加在稳定的恒星能量输出之上的，是一种更加不规则的成分，以爆发性的，不可预测的表面活动为特点。
2.太阳活动对太阳总光度没有什么贡献，对太阳演化可能没有显著性影响。
3.一对或一群太阳黑子附近的光球层表面可能是狂暴的地方，有时爆发性地喷发，喷出大量地高能粒子进入日冕。发生这些高能事件的地点被称为活动区域。大多数太阳黑子群都与活动区域有关。
4.如图5.14展示了两个大规模的太阳日珥------发光气体环或片从太阳表面的活动区域喷涌而出，在太阳磁场的作用下穿过日冕内部。
5.太阳黑子群内部和附近强磁场中的磁不稳定性可能是导致日珥发生的原因。
6.如图5.11b所示。我们可以很容易地在活动区域内和附近看到拱形的磁场线，磁场线结构的快速变化，以及它们可以迅速地将物质和能量在太阳表面输送，可能达到数万千米远的事实。
7.宁静日珥会持续数天甚至数周，由太阳磁场支撑着盘旋在光球层之上。活动日珥来去都很不规律，它们的外观在几小时内会发生改变，或者它们从太阳日球层涌起，然后马上落回光球层。
8.下面对日珥的一些性质进行量化：
9.耀斑是活动区域附近的低层太阳大气中观测到的另一种太阳活动类型。如图5.15所示，耀斑也源自磁场的不稳定性，甚至比日珥更加剧烈。
10.耀斑经常在几分钟内在太阳的某个区域内一闪而过，随着它们的消失会释放出十分巨大的能量。耀斑极度致密的中心释放出的X射线和紫外辐射尤其强烈，那里的温度可达1亿K。
11.如图5.16展示了太阳的日冕物质抛射。有时与耀斑和日珥相伴，这些现象像是巨大的电离气体的磁"气泡"，与太阳大气的其他部分分割开来，逃入行星际空间。
12.在太阳活动极小期，这样的抛射大约每周一次；但在太阳活动极大期，每天会发生两到三次。由于携带了大量的能量，它们可能会与地球磁场融合，发生被称为磁重联的过程，由此将它们的一部分能量转移到地球磁层。
13.磁重联是一种非常重要的快速能量释放过程，也是磁能转化为粒子的动能、热能和辐射能的过程。取描述磁力线"断开"再"重新连接"的物理过程的意思。
14.炽热的日冕气体辐射的频率主要位于X射线波段内。因此，X射线望远镜成了研究太阳日冕的重要工具。
15.图5.17展示了太阳的几幅X射线图片。完整的日冕延伸远远超过了图像所示区域，但发出辐射的日冕粒子的密度随着到太阳的距离的增大而迅速降低。更远处的X射线辐射强度太过暗弱，无法看见。
16.太阳风主要通过冕洞的太阳"窗口"逃逸出来。图5.17a从左到右的黑暗区域就是一个冕洞。这并不是真正的空洞，这样的结构只是由于缺乏足够的物质而已------大气密度比正常日冕还约低10倍的广阔区域。
17.冕洞内物质稀少，因为在扰动的太阳大气和磁场的共同驱动下，那里的气体能够自由地以高速流入太空。
18.图5.17b说明了在冕洞内，太阳磁场线是如何从太阳表面伸展到遥远的星际空间中的。由于带电粒子倾向于沿磁场线运动，因此它们可以逃逸，特别是从太阳的极区逃逸。
19.在日冕的其他区域，太阳磁场线保持接近于太阳，使带电粒子保持在太阳表面附近，防止了太阳风的外流，因此那里的密度相对仍然较高。
20.由于冕洞内"开放"的磁场结构，耀斑和其他磁场活动往往在那里被抑制。
21.冕洞似乎是太阳活动周期内太阳大规模磁场反转和自我补充过程中不可分割的一部分。长期冕洞在磁场周期的许多时间内保持在太阳的极区，而其他冕洞的数量和位置似乎会随太阳活动的步伐而变化。
22.太阳日冕会随太阳黑子的周期而变化。
23.日冕主要因光球层内的活动而被加热，这能向低层太阳大气注入大量的能量。光球层内无数的针状体和小规模磁场扰动可能提供了加热日冕所需的大部分能量。
5.6太阳的心脏
1.太阳能量的量化：
2.我们考虑太阳所产生能量大小，不仅要考虑太阳光度与太阳质量的比率，还要考虑每克太阳物质在作为恒星的太阳的整个生命周期内所产生的总能量。
3.太阳的能量释放缓慢而稳定，提供了均匀的和长期性的能量供应。太阳是通过核聚变为自己提供能量的。
4.核聚变是轻原子核结合成较重原子核并释放出巨大能量的过程。上述过程是物理过程非化学反应。
5.在核聚变反应期间，总质量在减少------生成的较重原子核比反应的较轻原子核的质量总和要少。根据爱因斯坦的质能方程，可得这些质量转换成能量。
6.核聚变反应生成的能量是遵循质量和能量守恒定律的一个例子，质能守恒定律可以描述为质量和能量的总和在任何物理过程中必须始终保持不变，没有任何意外。
7.所有原子核都带正电荷，因此它们互相排斥。此外，根据平方反比律，两个原子核彼此离得越近，它们之间的排斥力越大。
8.那么两个质子想要融合成更重的事物，需要以足够高的速度发生碰撞，一个质子就能暂时性地深嵌入另一个质子，最终进入到强核力的极短距离内，并把原子核绑定在一起。在不到的距离内，核力的吸引压倒了电磁场的斥力，核聚变因而发生。
9.如图5.18说明了两个质子的聚变过程。实际上，一个质子变成了中子，在此过程中生成了新的粒子，并和另外一个质子结合形成氘核，一种被称为氘的特殊形式的氢原子核。有如下反应式：
10.这个反应中的正电子是带有一个正电荷的电子。除了带正电荷之外，正电子的属性与那些正常的，带负电荷的电子相同。
11.科学家将电子和正电子称为"物质------反物质对"------正电子是电子的反粒子。新产生的正电子发现它们处在电子海洋之中，并立即与电子发生剧烈的相互作用。粒子与反粒子彼此湮灭，生成伽马射线光子形式的纯能量。
12.该反应的最终产品是一个被称为中微子的粒子。中微子不带电荷，质量非常低。中微子几乎以光速运功，而且几乎不与任何事物发生相互作用。它们可以不受阻碍地穿透几光年厚的铅。
13.中微子与物质的相互作用由弱核力主导。
14.正常的氢和氘的原子核包含相同数量的质子，但中子数量不同，是同种元素不同形式的表现------它们被称为那种元素的同位素。
15.为了表述清晰核物理学家在表示元素的符号上加了一个数字。这个数字表明了在该元素的原子中，原子核的总粒子数(质子加中子)。比如：
16.如图5.19展示了太阳(绝大多数恒星)提供能量的基本核反应集。它是一个被称为质子------质子链的链式反应序列。
17.它的主要步骤是：
- 首先，两个质子结合形成氘。
- 产生的正电子与电子湮灭，以伽马射线的形式释放出能量。氘核和质子结合生成氦3的氦同位素(只包含一个中子)，再次以伽马射线光子的形式释放出额外的能量。
- 最后，两个氦3原子核结合生成一个氦4，包含两个质子，与此同时也产生更多的伽马射线能量。通过质子------质子链，太阳核心内每时都有庞大的质子聚合成氦。从而释放能量。
18.核心产生的太阳核能是以伽马射线形式存在的。然而，当伽马射线穿过太阳内部较冷的层时，光子会吸收并重新发出，根据维恩定理，当黑体辐射谱逐渐移向温度越来越低的那边时，辐射的特征波长会增加。最终离开光球层的能量主要是以可见光和红外辐射的形式。中微子也携带了相当大小的能量，毫无阻拦地以接近光速逃入太空。
补充知识------基本作用力
1.宇宙中所有物质的行为都只受四种基本力(万有引力，电磁力，弱核力，强核力)的支配。
2.万有引力将星系、恒星和行星约束在一起。万有引力的大小随距离以平方反比律减小。它的大小也正比于所涉及的两个物体的质量。
3.因此引力场极其微弱，但星系的引力场却非常强大，因为它由大量的原子所构成。
4.电磁力是另一种基本的自然力。任何带净电的粒子，比如原子中的电子或质子，会对其他任何带电粒子产生电磁力。
5.电磁力和万有引力一样，强度也按平方反比律随距离而减小。然而，对亚原子粒子来说，电磁比万有引力要强得多。
6.电磁力同种电荷相斥，异种电荷相吸。
7.自然界中第三种基本力被称为弱核力。这种力比电磁力弱得多。弱核力支配了一些放射性原子的辐射；在质子------质子反应得第一步中，中微子的发射也是弱相互作用的结果。弱核力不遵循平方反比律，它的有效范围比原子核的尺寸小得多------约为
8.电磁力和弱核力并不真正是完全独立的力，而是一种更为基本的电弱力的两个不同方面。
- 在低温环境下，如地球或恒星内部环境，电磁力和弱力有着截然不同的性质。
- 在极高温环境下，比如出生宇宙，这两种力别无二致。
9.所有力中最强的是强核力。这种力将原子核和亚原子粒子(例如中子和质子)束缚在一起，并且支配了太阳和所有恒星中能量的产生过程。
10.强力仅在极端接近的距离内才有作用，而不像万有引力和电磁力。在的距离之外，强力微不足道。然而，在这个距离内，强力以巨大的力量将粒子束缚在一起。强力的这种作用范围确定了原子核的典型尺寸。因此只有将两个质子被带到这个距离内，它们才能在强力的吸引下克服自身的电磁斥力。
5.7太阳中微子的观测
1.在质子------质子链中产生的中微子是我们了解太阳核心情况的最好方法。
2.一些中微子探测器使用大量的氯元素或镓元素，它们刚好比其他大多数元素稍微或更有可能与中微子发生相互作用。这种相互作用会将氯原子核变成氩原子核或将镓变成锗。这些新的原子核具有放射性，探测到它们衰减时产生的放射物标志着对中微子的捕获。
3.其他探测器寻找那些当高能中微子偶尔与水分子中的电子发生碰撞，将该电子加速到接近光速时产生的光。随着高速电子在水中穿行，它发出主要位于紫外波段的电磁辐射，呈现蓝色。
4.太阳中微子难题指的是我们观测到的太阳中微子与太阳中微子的理论产量相差过大(明显要低50%~70%)。导致问题出现的两种可能性：
- 太阳中微子产生的频率和我们认知不一样
- 不是所有的中微子都能到达地球
5.答案涉及中微子本身的性质，通过一种被称为中微子振荡的过程，将有可能改变它们的性质------甚至是将其转化为其他的粒子。
