前言
在现代天文学建立起来之前,人类始终都不知道太阳的本质到底是什么。那个给我们提供温暖和阳光的天体,总是那么神秘。为了解释太阳的本质,古人提出了各种不同的猜想。中国人认为,太阳其实是一种神话中的动物,名叫金乌,也叫赤乌,是有三只脚的乌鸦。古希腊人则认为,神话中的阿波罗每天驾着战车从空中飞驰而过,就是我们头顶上东升西落的太阳。现在我们知道,太阳不过是宇宙中最常见的天体之一,那就是恒星。恒星主要由宇宙中最丰富的氢和氦元素组成,同时还有其他的元素,不过其含量都微不足道。有些人可能会有所疑问:氢和氦在地球上都是气体,那么太阳难道就是一个巨大的“气球”吗?我们是否能够穿越这些气体,进入到太阳的中心呢?今天,咱们就来展开一场太阳之旅。
绵延数千万公里的热
太阳的半径大约是69.6万公里,但绝不意味着它的炽热到这里就结束了。想一想吧,距离太阳5790万公里的水星,表面温度就已经高达463℃了!而NASA在2018年发射的帕克太阳探测器,预计最接近太阳的距离是616万公里(目前还没有实现),科学家就已经为它准备了能够承受至少1400℃高温的设备。由此可见,即使在远离太阳的位置上,温度也非常高。为了完成这次太阳中心之旅,我们假设自己乘坐的是完全绝热、抗压……总之就是无敌的宇宙飞船,确保我们能够或者完成这次旅行,见识到恒星内部的恐怖环境。当然,我们距离太阳的内部还远呢。你会发现,在距离太阳还有几百万公里的时候,温度将会非常高,这里就是太阳的日冕。日冕是太阳大气层的最外层结构,不过通常不算作太阳的半径里,平时我们也看不见,只有日食的时候能够发现。它的厚度有数百万公里,粒子的密度达到了10^15每立方米,都是质子、电子等各种等离子体。这里的温度,可以达到恐怖的100万摄氏度!
色球层
穿越日冕之后,日子就好过一点了,因为我们已经来到了日冕以下的色球层。和日冕一样,色球层平时也看不见,这是因为它的亮度不及下面的光球层,只有后者的1%左右。即使是在日食的时候,想要看到色球层也并不是很容易的事,需要在食既前几秒钟或者生光后的几秒钟,才能看到像玫瑰一样绚丽的红色结构,那就是色球层。在色球层里,我们要穿行2000公里,即使是现在的高铁也要花上至少6个小时!而且,随着我们穿越色球层靠近太阳本体,温度也会从最外侧的数万摄氏度降低到几千摄氏度。在色球层底部,我们就会经历本次旅行最凉快的时候了。接下来的旅途,将会越来越热。
光球层
光球层的边缘就是我们平时所能看到的太阳了,这里也是我们对太阳进行观测、研究的主要目标。光球层的厚度只有500公里,只占了太阳的一小部分。但是,这里的景象可谓是精彩纷呈,你会看到黑子、光斑等各种太阳活动以及太阳的米粒结构。
太阳黑子并不黑,在这里你会发现它同样非常耀眼,只不过和周围接近5500℃的环境相比,它只有4000℃左右,显得有点黑而已。
有一部分与黑子有关,这种光斑通常宽5000-10000公里,长度可达50000公里,是地球直径的4倍。和黑子无关的光斑则比较接近圆形,直径只有2000多公里,并且寿命也很短。
别被这个名字所蒙蔽,实际上米粒结构的直径通常都有1000-2000公里。我们可以把它理解为是沸水里不断上升的气泡,从物理学上讲就是对流的结果。下图是迄今为止人类拍摄到最清晰的太阳表面图像,来自于GREGOR太阳望远镜。
(图片说明:GREGOR太阳望远镜拍摄的米粒结构)
(图片说明:GREGOR太阳望远镜拍摄的太阳黑子)
对流层
穿越了光球层,我们就要进入太阳内部了。第一站,我们将要进入到太阳的对流层。这里的厚度可能达到了15万公里,流体静力学平衡被严重打破,因此这里的物质不断上升、下降,对流非常剧烈。外层的各种太阳活动,或许都与对流层有关。
辐射区
这大概就是整个太阳内部旅程中耗时最久的一段了,整个辐射区从0.25个太阳半径区域延伸到约0.86个太阳半径附近,其厚度接近43万公里。就算是坐飞机,也至少需要18天的时间才能穿越这个距离。辐射区的内部就是太阳核心了,因此,辐射区承担了将太阳核心处产生的能量运输出去的重要职责。核心区产生的能量会以光子的形式向外释放,在遇到其他粒子后将能量传递给这个粒子,这个粒子能量过高又会释放新的光子,如此反复向外传递。因此,太阳最核心处产生的能量,需要很久的时间才能来到太阳表面。在辐射区,太阳的温度已经高达70万摄氏度,相当恐怖!同时,强大的磁场和恐怖的辐射及高能粒子,都足以让任何物体瞬间灰飞烟灭。不过,为了保证大家能看到太阳核心,我们就假设自己的太空船无所畏惧吧。
核反应区
从太阳最中心到0.25个太阳半径处,就是太阳的核反应区了,这里是太阳内部能进行核聚变的场所,太阳释放的所有能量,追根溯源都是来自于这里。在这里,太阳的温度已经高达恐怖的1500万摄氏度,压力也达到了地表大气压的3000亿倍!在如此恐怖的条件下,连氢原子也承受不住,以至于相互结合,形成了氦。根据科学家的计算,太阳内部每秒钟就有6吨的氢发生聚变,产生5.96吨的氦,其余部分以能量的形式释放出去,照亮了太阳系。不过,考虑到太阳的质量有大约2000亿亿亿吨,即使以这样的速度消耗,太阳也能够燃烧到大约50亿年以后。而上个月,科学家也终于证实,太阳内部不仅有氢到氦的聚变(质子-质子反应,也叫pp 反应),还有碳氮氧循环过程( CNO 循环)。
结尾
好了,亲爱的旅客,我们本次太阳核心之旅到这里就结束了。以目前的科技,我们是不可能真的进入太阳内部的,这些景观也都是科学家们观测后分析的结果。也许随着未来的研究,科学家们会得出不一样的结论,那时候我们或许要重新展开太阳内部之旅了。下一期,咱们反其道而行之,从太阳出发,去见识一下整个太阳系,看看从太阳到太阳系边缘,我们能看到哪些沿途景观,下期再见~