来自太阳孪生兄弟的启示

Jeffrey Hall　文　Shea　译

和太阳最接近的恒星掌握着我们这颗恒星过去和未来的线索。

　　在美国亚利桑那州北部从事天文研究的一大乐趣是当地开阔的视野、灿烂的阳光和壮观的地貌。在从公元前约1200年起的2千年里，那里一直是安纳萨吉人的栖息地。但是在公元1300年前后，安纳萨吉人却废弃了这一他们长期居住过的地方。

[图片说明]：活跃的太阳。在H-α下太阳呈现出了由磁场造成的明暗特征。太阳的活动以平均11年为周期起伏波动。1966年延续至今的观测证明，许多类太阳恒星也具有类似时间长度和强度的活动周期。版权：Gerg Piepol。

　　考古学家提出了许多可能的原因，但其中一个关键的因素似乎是出现在公元1270年～1300年间的严重干旱。这一时间段基本和被称为沃尔夫极小期的太阳活动较弱时期相重合，而沃尔夫极小期和更为著名的、出现在1645年～1715年间的蒙德极小期相似。蒙德极小期对应的是在欧洲、亚洲和北美所出现的长时间严冬。地区性气候变化和太阳活动间的相关性并不能说明它们之间的因果关系。但它激起了人们的好奇并促使我们去了解太阳的可变性。在空间中对太阳亮度的观测仅有30年的时间，太阳黑子的定量数据也只有400年的历史——对于恒星的一生而言实在太短。此外，太阳仅仅为恒星活动提供了一个样例。由太阳来解释其自身就像观察某个人1秒钟之后来解释人性一样。幸运的是，每天晚上都有一个可爱的实验室会轮转到我们头顶，我们可以用它来获得更广博的见地。

恒星周期

　　多亏了Olin Wilson（1909-1994）我们才有了这些认识，从1966年开始他在美国洛杉矶附近的威尔逊山天文台观测了91颗低温恒星的活动。（“低温”指的是光谱型大致从F到M。）当时并不知道低温恒星是否具有类太阳的活动周期。为了寻找答案，Wilson观测了钙一次电离的夫琅和费H、K吸收线，它们对于恒星活动的变化很敏感。我们无法像观测太阳那样拍摄到遥远恒星上黑子和耀斑等活动特征，但我们可以通过使用诸如这些钙谱线的光谱特征来间接观测它们。

　　Wilson观测了这些恒星达12年并在1978年发表了一篇漂亮的论文，证明许多其他恒星确实也具有活动周期——值得注意的是，有一些则没有。这一工作为未来的研究奠定了基础。在Wilson退休之后，这一计划在Sallie Baliunas（美国哈佛史密松天体物理中心）的领导下又进行了25年。到2003年，Baliunas、Wilson及其同事积累了低温恒星37年的活动资料。

[图片说明]：恒星先驱。20世纪60年代，美国威尔逊山天文台天文学家Olin Wilson第一个探测了其他恒星的活动周期，他是这一一直持续到今天的研究领域的先驱。版权：S&T PHOTO ARCHIVE。

　　从1994年起，在美国国家科学基金会的资助下，我的同事和我在位于美国亚利桑那州的洛韦尔天文台对许多威尔逊山恒星以及其他恒星进行了光谱观测。美国田纳西州州立大学的Greg Henry正在使用位于美国亚利桑那州南部费尔堡天文台的程控测光望远镜对这些恒星进行互补的亮度观测。

　　Wilson所观测的恒星中大约60%具有类似太阳的活动周期。另有25%的恒星变化没有规律，但它们与太阳相比都较为年轻且自转也更快，这些都会增强恒星的活动性。剩下的15%的恒星很少或者没有变化活动。这些恒星是不是也正处于类似蒙德极小期这样的有趣阶段呢？来自冰芯的纪录显示，太阳可能在其一生中大约15%的时间里都处于这样的“极小期”状态，因此这些观测也许能让我们一窥太阳的过去。

　　1976年天文学家Jack Eddy（1931-2009）发现从17世纪中到17世纪末太阳黑子几乎都消失了，而此时正值欧洲1300年～1700年间最严峻的小冰期之一。1978年人造卫星开始对太阳的总亮度（辐照度）进行观测，发现这个数值并非常数：在太阳活动极大期，太阳会比极小期亮0.1%。证据还显示太阳的辐照度会在更长的时标下发生变化，这其中包括了从蒙德极小期结束以来的持续上升。这些观测激起了人们对太阳是如何影响地球气候的兴趣，同时也凸显了搞清楚太阳是否是一颗典型的G2型恒星以及在精确测量出现前它是如何变化的重要性。

[图片说明]：太阳光谱。在太阳光谱的这一小段中有许多暗线，说明这些波长的光被太阳大气中的原子和分子吸收了。夫琅和费H和K线是由于电离钙而形成的。线心的辐射量会随着太阳磁场活动的增强而增大。通过研究其他恒星的谱线，天文学家也能确定出它们的活动强度。版权：Jeffrey Hall等人。

太阳兄弟

　　一个办法是研究和太阳类似的恒星的变化。如果我们可以观测大量的这一类恒星，我们就能限制它们活动的范围，进而推测出太阳的活动。但Wilson所观测的恒星中大多数和太阳有着不同年龄、质量以及活动性。由于他是在赫罗图的大范围中寻找恒星的周期，因此他选择这些恒星是合理的。但要用作太阳的替身的话，还需要进一步对样本进行细化。从大约1980年起，天文学家就开始寻找“太阳代理”和“太阳兄弟”。这两个词虽然看上去只是定性的，但却是具有限制性的：太阳兄弟和太阳在基本特性上的差异应该不超过1%。

　　因此我们所需要做的就是寻找和观测许多的太阳兄弟。如果它们既呈现出了活动周期又具有蒙德极小期状态的话，那就更好了；随后我们就能用这些不具有活动周期的恒星来窥探太阳的过去了。很简单，对吧？错。

　　直到2006年，被接受的太阳兄弟的个数是——即将揭晓——1个。它是一颗位于天蝎座的不起眼5等星，编号为HD 146233。更容易记住的名字是天蝎座18，1997年Gustavo de Mello（巴西里约热内卢联邦大学）和Licio da Silva（巴西国家天文台）将其晋升为太阳兄弟。它并不属于Wilson所观测的恒星，但我们已经对它的活动和亮度进行了超过10年的观测。它的活动周期比太阳短似乎只有几年，但活动性和活动强度则与太阳的相当。

[图片说明]：近距太阳兄弟。5.5等的G2型恒星天蝎座18（箭头所指）是较近的类太阳恒星，位于天蝎座北部距离地球46光年。它以及与之类似恒星的变化可以帮助天文学家推测太阳的长期可变性。版权：Akira Fujii。

　　寻找天蝎座18以外的太阳兄弟是困难的。为了重复观测大量的恒星样本，我们舍弃了暗弱的恒星，因为在它们身上获得高质量观测结果所需的时间太长。这就限制了样本，我们也不得不屈就于大部分较好但并非理想太阳替身的恒星。2007年Jorge Melendez（葡萄牙波尔图大学天体物理中心）和Ivan Ramirez（德国马普天体物理研究所）发现了两个8等的太阳兄弟，它们的化学元素丰度甚至比天蝎座18更接近太阳。这两颗恒星的出现使得我们可以在样本中剔除掉一些和太阳相差相对较大的恒星。

　　通过对可以确定包括自转速率、温度以及化学丰度等重要参数的高分辨率光谱的仔细研究，我们逐渐发现了更好的太阳替身。到目前为止，这些恒星还都局限在数百光年的范围之内。毫无疑问还有更多有待发现。2006年，Mark Giampapa（美国国家太阳天文台）、Richard Radick（同上）、Sallie Baliuna和我公布了对疏散星团M67中暗弱太阳兄弟（12～14等）的分析报告。现在，有了诸如美国宇航局开普勒空间望远镜这样正在进行的新巡天和类似洛韦尔4.3米发现频道望远镜这样即将投入使用的新设施，研究更多的太阳兄弟样本将成为可能。

在1996年的一篇论文中，Giusa Cayrel de Strobel（法国巴黎墨东天文台）写道，太阳兄弟应该具有“即便并不和太阳完全相同、但也是极为相似的基本物理参数（质量、化学组成、年龄、有效温度、光度、重力、速度场、磁场、赤道自转转等）。”虽然天蝎座18与这个苛刻的定义有些许的不同，但在亮于8等的恒星中还有哪颗恒星完全符合这一定义。太阳兄弟——既有周期活动也有恒星蒙德极小期——可能正在等待我们，但它们太暗弱，需要时间和耐心去发现。

太阳－恒星关联

　　直到今年，Olin Wilson所观测的91颗恒星的一大麻烦仍是它们的可变性。随着它们周期性地变化，它们增亮、变暗的幅度会超过太阳在自己活动周期中的2～5倍。因此太阳是特殊的？它的亮度变化是否小得不同寻常？适合生命的地球环境是否也部分得益于太阳的这一特性？

　　回答总是复杂的。在最近的一篇论文中，我们证明天蝎座18和许多其他好的太阳兄弟的亮度变化振幅和太阳大约0.1%的变化差不多，它们也都具有相仿的磁场活动。原始样本中较高的恒星可变性似乎是选择效应：这些恒星中的许多要比太阳更年轻、更活跃，因此并不能理想地反映太阳活动。于是类似太阳的变化在类太阳恒星中看起来是典型的，不过条件是我们要极为苛刻地定义类太阳恒星。

　　但这并不是事情的全部。太阳兄弟在整体行为上和太阳符合得很好，但在活动和亮度之间相关的细节上通常与太阳相比符合得并不好，而目前观测发现太阳的增亮和变暗与其活动的增强和减弱保持一致。例如，巨蛇座ψ（HD 140538）在2001年可能完成了从一个无周期状态向活跃的、以4年为活动周期的转变。但当它离开低活动性状态的时候，我们并没有看到它亮度的显著增强，数据暗示当它开始新的活动周期的时候活动－亮度之间的正比关系（就像太阳）会倒转。

[图片说明]：过渡中的恒星。作者的研究小组画出了对5.9等G5型恒星巨蛇座ψ超过10年的H和K谱线变化。虽然巨蛇座ψ并不属于太阳兄弟，但与之类似。蓝色的菱形显示的是在每个观测时期恒星中磁场活动的平均强度。在1997年～2001年这颗恒星完成了从低活动状态向活跃的、以4年为活动周期的转变。类似巨蛇座ψ这样的恒星也许可以为远在现代设备出现前的太阳活动提供线索。版权：Jeffrey Hall等人。

太阳和气候

　　具有太阳活动模式——11年周期以及在活动极大时较亮——的恒星仅仅是许多活动－亮度模式中的一种。如果目前长而深的太阳极小期是太阳正在往一个不同的状态进行转变的话，那将是具有启发性和令人兴奋的。

　　这完全有可能。即便另一个蒙德极小期并没有逼近，但最近有几篇论文认为太阳活动的“现代极大”正在结束，接下去的可能是较弱的周期。目前的极小已经持续了很长时间，但第24个太阳活动周中活动区和黑子群正在出现，几年之内我们就会知道这个目前正在到来的活动周期是否真的会是比较弱的。

[图片说明]：太阳辐照度。顶图显示的是太阳总能量输出（辐照度）随着太阳周期接近极小时的微弱减小，现在它则随着第24个太阳活动周的到来正在开始增强。中图显示的是在390纳米近紫外波段上的太阳能量输出。底图显示的是在可见光红端656纳米左右的太阳能量输出。在这两个波段上太阳的能量输出有着明显的差异。在紫外波段，它的变化和太阳活动相同，类似于总辐照度。但在红光波段，它的变化和太阳活动相反——一个令人惊讶的结果。版权：Jerald Harder等人/SORCE。

　　类太阳恒星的行为说明，在较强的极小期中恒星显著变暗是不可能的，Georg Feulner和Stefan Rahmstorf（德国波茨坦气候影响研究所）最近发现太阳较强的极小期会使得全球平均温度下降0.1～0.3℃，并不足以补偿温室气体浓度上升所造成的作用。但是为期70年的蒙德极小期的影响，尤其是对于欧洲、西伯利亚和北美，却是肯定的。在今天的气候中即便是太阳11年的周期效应也能被探测到。太阳行为的变化可能会引发地区性温度和降水的进一步显著变化。

　　在量化这些效应中所取得的进展可能不仅仅来自对太阳以及恒星整体变化的研究，还来自这些变化的谱分布。从2003年起，太阳辐射和气候实验（SORCE）卫星已经不但观测到了太阳总亮度的变化，还在紫外、可见光和红外波段上看到了这一变化。这些数据带来了一个巨大的意外。在一些波段上，太阳的亮度随着活动的增强在增大，但在包括可见光和红外等其他波段上，它却在变暗。如果我们在第24个太阳活动周中看到这一现象继续出现的话，它将对解释恒星的变化产生重要的影响。

　　类太阳恒星的这些谱变化是类似的吗？它们对地球的气候有什么影响？这些问题仍留待解答。在太阳把我们也变成现代的安纳萨吉人之前，我们想要知道答案。

Jeffrey Hall是美国亚利桑那州洛韦尔天文台的天文学家。他和他的同事Wes Lockwood（洛韦尔天文台）、Brian Skiff（洛韦尔天文台）、Len Bright（洛韦尔天文台）和Greg Henry（美国田纳西州州立大学）在过去的15年里观测了类太阳恒星的活动和亮度变化。

（本文已刊载于《中国国家天文》2010年第07期）

[Sky & Telescope 2010年07月]