太阳王（3）：破解太阳中的元素之谜
打包知识点
➀ 夫琅禾费发明了衍射光栅，从而发现了太阳和恒星的精确光谱。
➁ 基尔霍夫和本生共同发现了元素与光谱的对应关系。
➂ 通过对太阳的光谱分析，人们知道了太阳中的基本元素构成，也知道了它的表面温度至少达到几千摄氏度。
➃ 1860 年人类首次用天文摄影技术拍摄到了日全食时的太阳照片。
➄ 部分天文学家在 1860 年的日全食中目测到了高能粒子喷发的现象，但因为摄影技术的限制，没有拍下来。
神秘的黑线
想要找到太阳耀斑和磁暴的真正原因，那就必须要搞清楚太阳上到底发生了一些什么样的物理和化学反应，而要搞清楚这些，首先就必须要搞清楚太阳是由什么物质构成的。让我们先来看看，截止到 1859 年的这次太阳爆发时，当时的人类对太阳的物质构成了解到了什么程度。我们来简要回顾一下 1859 年之前的太阳研究历史。
早在 1665 年，22 岁的牛顿在自己的农村老家，完成了史上最美的物理实验之一，牛顿色散实验。我们因此发现了彩虹的成因，原来太阳光是由 7 色光混合而成的。而阳光分解成的这道彩虹也被科学家们叫做光谱。
到了 19 世纪初，德国诞生了一位光学仪器制作大师，他叫夫琅禾费。他发明了一种叫做“衍射光栅”的精密光学仪器。你可以找一张 DVD 光盘仔细看看，你会发现光盘也可以反射出 7 色彩虹。光盘与衍射光栅就有异曲同工之妙。
图：夫琅禾费
夫琅禾费通过光栅研究太阳的光谱，又有了一个惊讶的发现，在太阳光谱中，居然包含着很多神秘的黑色线条，就像我们在商品上常见的条形码一样。他用显微镜放大观察，一共看到了 574 条黑线。它们太奇怪了，当时的物理学家们谁也不知道这些黑线是怎么回事。光谱问题已经够让科学家们琢磨了，现在又出现了神秘的黑线。
夫琅和费把衍射光栅应用在最明亮的恒星上，发现在恒星光谱中也会出现黑色的线条。这些线条的位置彼此之间有些相似也有些不同。这些神秘的黑线到底是什么呢？有些人认为它们是望远镜里的缺陷，有些人则认为它们来自地球的大气层，更有意思的是说它们来自太阳和其他恒星的大气层。夫琅和费还没找到答案就因为肺结核病逝，年仅 37 岁。
焰色反应
在夫琅和费去世的那一年，有两位化学家发现，每种化学元素在燃烧时都会发出一种独特的颜色。换句话说，只要看火焰的颜色就能判断出被燃烧的物质里面有些什么元素。这个就被叫做“焰色反应”。你家里的煤气灶燃烧的颜色就是蓝色的，这就是一种焰色反应，如果你往煤气灶的火焰上撒一点食盐，你就会看到煤气原本的蓝色的火焰发出了明黄色的光。节日的烟花表演就是焰色反应的最佳应用。
时间来到了 1859 年，出现了两位痴迷于研究焰色反应的科学家，一位叫基尔霍夫，一位叫本生。为了研究焰色反应，基尔霍夫造出了世界上第一台光谱仪，而本生则发明了本生灯。
本生和基尔霍夫两个人把手边能烧的化学药品都烧了一遍。他们记录下了各种材料的光谱。他们发现，这些化学元素的光谱都是一根根细细的线条，完全不像太阳光谱那样连绵不断。比如把食盐拿去烧，就会出现两条黄色的谱线。他们俩很快就发现，这些谱线就像是元素的条形码一样，与各种元素有着一一对应的关系。两个人还做过这样的测试，一个人往本生灯上撒化学药品，另一个人马上就可以根据光谱线判断出烧的是什么东西，包含了一些什么元素，而且百试百灵。
图：基尔霍夫
图：基尔霍夫造出的光谱仪
图：本生
图：本生灯
本生还有一个厉害的地方，他制造出了当时是有史以来最纯净的化学样本，这使得他们在个别谱线的校准上更加有信心。基尔霍夫则利用物理知识设计出举世无双的设备来分析线条。
重大进展
基尔霍夫早年出了意外造成身体残疾，所以他总是在昏暗的实验室里专心致志地操作精密的设备，以最精湛的方式直接将光线引入仪器中。有一天他取得了突破，他点燃了石灰样本，产生了用来照亮剧院舞台的著名的石灰光。石灰燃烧时会发出白色的火焰，透过棱镜分解后能够产生一个连续的颜色谱。接着，在光穿过棱镜前，基尔霍夫集中一缕石灰光穿过本生灯的火焰。然后他在火焰上撒了一点钠，使得火光中闪出钠特有的黄色。在荧幕上，他看到夫琅禾费的黑色 D 线出现在石灰光的光谱上。钠蒸气吸收了来自石灰光特有的黄色波长，以黄色火焰的形态在实验室里燃烧。
随后他用阳光做实验。这次他使用的是没有对应夫琅禾费线的化学物质——锂。他将锂粉撒在本生灯的火焰上。当黑色的锂线出现在太阳光谱上时，他看得着迷了。
基尔霍夫一下子证明了两件事：太阳上一定有钠，因为夫琅禾费 D 线的存在；但是太阳上没有锂，因为没有锂线。他做到了过去人们认为绝对不可能做到的事情：不需要实际切割进行分析就能弄明白一个物体的化学成分。
基尔霍夫确定了光谱分析的三条规则。
第一条：高温的固体或稠密气体会产生连续的光谱，是一个从蓝色到红色分布的彩带。
第二条：高温的稀薄气体会产生发射光谱，是一系列明亮的色线，位置则取决于气体的化学成分。
第三条：被较低温度的稀薄气体包围的固体则会产生吸收光谱，连续光谱会被某些特定波长所吸收，产生一系列黑线，位置就与气体发射谱线的位置一样。
这三条规则证明了发射谱线和吸收谱线之间有某种特定的联系。
除了太阳的化学成分以外，基尔霍夫在光谱分析上的规则也提供了两个关于太阳本质的必然结论：
实验结果显示，金属需要在极高的温度下才能融化及放出蒸气。因此太阳的大气层一定非常热，应该有好几千摄氏度的高温，以便维持充满金属气体的大气层。而太阳本身应该更热，才能发出连续的彩色光谱，大气层的气体吸收有色光而产生夫琅禾费线。
天文学家将太阳的可见层称为光球层，并最终确认这一层并不是包在固体外的发亮云层。没有什么物体能够在几千摄氏度的高温下保持固态。
在光球层的上方，则是太阳大气层，当光球层的光线穿过大气层进入太空时，大气层中的金属气体就会产生夫琅禾费线。不过，他们很快发现，会有一个严重的干扰，就是地球的大气层，阳光必须穿过地球的大气层才能照到光谱仪上。这意味着有些夫琅禾费线可能并非来自太阳，而是来自地球大气层中的化学物质。
这个问题确实是个麻烦。但是，随着愈来愈多的天文学家研究太阳光谱，他们明显地发现，夫琅禾费线总会分成两组，一组不会改变，另一组则会随着时间而稍微改变颜色的深度。
天文学家很快意识到，这些变化的线取决于太阳在天空中的位置。当阳光越是斜射，它的光线就越要穿过更厚的地球大气层，有些夫琅和费线的颜色就会变深。因此这些线条表示的是地球大气层中的化学物质。保持固定不变的线条则是来自太阳大气层中的化学物质。
随着基尔霍夫的这一突破传遍世界各地，天文学家在新的光谱分析技术上踏出了实验性的第一步。他们发现在太阳上还有铁、钙、镁和许多其他物质。
一波三折的拍摄
以上这些差不多就是在1859年那次太阳风暴之前，人们对太阳物质的基本了解。1859 年的太阳风暴让天文学家们对太阳的兴趣陡增，这使得第二年，也就是 1860 年 7 月 18 日的那次日全食备受瞩目，因为日全食是研究太阳的绝佳时期，很多平时无法看到的现象都能在日全食的时候观测到。
这次日全食的一个理想观测地点在西班牙。英国邱园天文台的沃伦·德拉鲁准备把最新引进的一台神器搬到西班牙去。这台神器叫做太阳照相仪，这架独特的望远镜相机一下子就能拍到卡林顿要努力几个小时才能画下来并做测量的图像。德拉鲁非常确信摄影技术在天文学中的地位，他希望会有一次成就来证明摄影技术的价值。德拉鲁在想，他的太阳照相仪能否抓拍到月球挡住阳光产生黑暗的一瞬间呢。带着这个理想，他费劲千辛万苦，终于把笨重的设备运到了西班牙。
图：沃伦·德拉鲁的太阳照相仪
1860 年 7 月 18 日，日食的时间到了，大家忧虑地望着灰色云层。因为天气不配合，德拉鲁非常不安，无法休息。所有的准备、努力和花费，看来似乎要化为乌有。到了上午10点，他终于看到了第一块小片的晴空，群众如期来到了临时观测站周围。中午，预计日食还有两个小时开始，天空突然放晴了。微风吹动的云层很快消散了，只留下广阔的灿烂蓝天和金黄色的太阳。
随着天文学家紧张地进行最后的准备工作，越来越多的人前来观看。人群的谈话声到达了刺耳的水平，掩盖了大天文钟的嘀嗒声。德拉鲁本来希望听着钟声来记录日食发生的时间。现在他只能用自己的怀表作为替代。
不久之后，随着震动的马蹄声，5 名警卫骑马进入村庄。他们听从天文学家们的指挥，在打谷场周围划出边界，不让 200 多名群众进入。警卫的到来大受欢迎；在他们到来之前，一些旁观者受不住好奇心的诱惑，趁着没被天文学家们撵走，偷偷窜到木头观测站旁看里面奇怪的设备和工作人员把化学制品装进太阳照相仪。
图：沃伦·德拉鲁（在左边背对画面）和他的团队在里巴贝罗萨为即将到来的日食做准备。观测站的前部已经被移除，露出了已经安装好的邱园天文台的太阳照相仪。右边可以瞥见进入暗室的通道。（图片来源：英国皇家天文学会）
谁知道啊，当时间走到了预定发生日食的时刻，结果他们却发现月亮与太阳的亲密接触并未如期发生。这些天文学家大吃一惊，德拉鲁赶紧带着疑惑检查了钟表，结果发现他犯了一个低级错误。他的怀表快了 8 分 11 秒。这下可惨了，因为经过化学精细处理的底片在这段时间里就毁了，于是他让队伍尽快准备新的底片。
下午 1 点 56 分，他看到月亮的边缘开始渐渐“咬”上太阳，但是底片直到 2 点 02 分才准备好，然后及时装好开始曝光。在日食期间一直持续拍摄。10 分钟后，月亮遮住了一个黑子群，自然形成的云层遮住了太阳。天文学家们只能停止观测，焦虑地观望着。直到 6 分钟后云层再次散开。他们赶紧继续工作。
太阳逐渐地消失在月亮后面。德拉鲁注意到，天空由蔚蓝色变成了某种靛[diàn]蓝色。周围的景物也被镀上一层青铜色。日全食终于到了，景物落入一片黑暗中，聚集的人群突然安静了。教堂的钟声穿过山谷。德拉鲁开始通过望远镜绘图，他能分辨出太阳前面月亮褐色的表面，但是月亮后面露出的粉红色的凸起吸引了他的注意。
当他画完第一张草图时，他抬头裸眼观看天空。在日冕苍白的光带周围，天空是深深的靛蓝色，地平线处是深红色和橙色。在这不寻常的天空中，镶嵌着明亮的木星和金星。他把目光投向周围景物，看到壮丽的群山在月影掩盖之下变成了蓝色。他被这奇异的美景迷住了，对于自己要做科学工作而不能仔细观看深感遗憾。他暗暗发誓，如果再有一次日食，他要做旁观人群中的一员，专心沉浸于美景之中。做出如此承诺之后，他从景物上收回目光，把眼睛再次放到目镜上，继续绘图。
他身旁的拍摄工作在继续，一张底片已经在日全食发生时曝过光，正浸在帐篷后面的显影液中。第二张底片正在装入为太阳照相的望远镜。德拉鲁画第二张图的时候，他实在无法控制他的好奇了。他呼叫暗室，问进展怎么样，当他听到有人回应“拍照成功了，底片上可见日珥”，德拉鲁禁不住兴奋地叫喊起来。这个回答让德拉鲁高兴而激动。他和他的团队完成了之前没人达到的成就，为子孙后代留下了日食的深度记录。点击文稿可以查看这张珍贵的照片，黑白照片上，太阳爆发出的日珥清晰可见。
图：沃伦·德拉鲁拍摄的日全食照片
（图片来源：英国皇家天文学会）
在成功的鼓舞下，团队工作了几个小时，直到阳光重回大地以后。在月球完全离开太阳时，他们继续画图、测量、拍照。回到英国后，德拉鲁的成功获得了举国庆贺。然而那时没有人发现，太阳展示了它的外层大气中一些非同凡响的东西。如果他们注意到其重要性，就能找出卡林顿发现的耀斑是如何触发随后的磁场“风暴”的线索。很遗憾的是，他们没有。
众说纷纭
1860 年日食那天，因地球自转而形成的日全食带通过了加拿大、美国的一小部分，跨过大西洋一直到西班牙和北非。3个天体排成一列的过程结束后，月球的阴影离开了地球表面。
许多欧洲天文学家都等在西班牙观看这次日全食。当短暂的黑暗扫过比斯开湾的海岸时，几位观测者注意到在日冕的西南方出现干扰。那不是如轮辐般向外射出的日冕光芒，而是一道缓缓弯曲的流光伸到大约两倍太阳半径的地方。几分钟之后，在西班牙中心地区，“火眼金睛”的观测者在画本上记录了第二道光芒。这两道光芒来自太阳表面的同一地方，但弯向相反方向，完整的形状就像一支郁金香。当日食来到西班牙的地中海沿岸时，日食已经登陆西班牙有11分钟了。这里的天文学家看到了新的进展。“郁金香”脱离太阳，在日冕中独自形成了一个椭圆形的泡泡。
当日全食离开西班牙后，阿尔及利亚的观测者作出了最后的日食记录。在巴特纳的法国军队工程师和在兰布撒的天文学家都注意到了太阳西南方的现象。但在日食过后，没有任何天文学家想到要去研究日冕中的泡泡有何意义。更为糟糕的是，还有人对此提出质疑。
尽管一些观测者说那个泡泡很壮观，但观看日食的人里面有三分之一没看到。也许有些人观测技术不好或使用的设备太差，或是在日全食的短短几分钟内无暇注意。其中一位没看到泡泡的天文学家是备受尊崇的彼得罗·塞奇神父。他负责管理罗马的梵蒂冈天文台，因此在欧洲各地享有崇高的声誉。他的观测技巧向来很精湛。他绘制了最早的火星地图之一，发现了太阳表面上的新特征。但在1860年日食那一天，他在棕榈沙漠进行观测，却没看到泡泡，这给这一现象带来严重的不可信度。
日食报告出现的这种差异，使天文学家们放弃了绘图的方法，渐渐相信只有用照相机照片留下的观测记录才可信。摄影技术很快地成为捕捉自然本质的首选工具，它能排除人为的影响。德拉鲁成功拍到了日全食发生时的太阳照片，正体现了这种新技术的优点。因为他的照片只拍到日珥和明亮的内冕，没拍到暗淡的外冕即泡泡出现的地方，所以这些照片也无法平息争论。
事实上，泡泡正是太阳粒子的喷发，有时候跟着耀斑一起出现，如果喷发的方向直接对着地球，与地球碰撞就会引发磁暴。但当时对日冕的相关知识知之甚少，更不要说太阳带电粒子的性质，所以这次观测的意义就没被充分认识。如果那个泡泡正对着地球，第二天晚上也出现了壮观的磁性极光，天文学家也许就会更注意它。但事实上，尽管有三分之二的观测者看到了，这个结构却几乎被忽略了。就算要讨论它，其真实性也总是充满怀疑。一直要到一个世纪之后，NASA 的空间站“天空实验室”开始定期拍摄日冕，记录下的喷发画面才再次让人想起 1860 年的绘图。
人类要揭开太阳的秘密，还有很长的路要走。卡林顿 1875 年去世，死因很可能是脑溢血，年仅 49 岁。这是天文学界的一个损失，但幸运的是，卡林顿的学术继承人已经默默在工作了，他自己已经收集了堆积如山的太阳黑子数据，最终将雕刻出无人能够摧毁的科学丰碑。
他的学术继承人就是爱德华·沃尔特·蒙德。他的故事，我们下期再讲。
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