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卡林頓事件尋蹤——維多利亞時(shí)代夜空中的那一抹緋紅

2021-09-01 17:00:26 來源:光明網(wǎng)

今天是2021年9月1日,星期三,看似平淡無奇,可是如果我們回到162年前,去英國走走,那可能真的要出現(xiàn)另一番景象了。

緣起

1859年,大英帝國正處于漢諾威王朝的維多利亞女王統(tǒng)治時(shí)期,帶著日不落的光環(huán),如日中天,史稱“維多利亞時(shí)代”[1]。如果我們此時(shí)路過倫敦,你會(huì)看到優(yōu)雅的紳士戴著高頂禮帽,配上一襲深色調(diào)的正裝在品讀今天剛剛出版的《泰晤士報(bào)》,而女士們則身著束腰的長裙,一邊品嘗著英倫格調(diào)的下午茶,一邊還要手捧當(dāng)時(shí)的暢銷書《簡·愛》,含英咀華。工業(yè)革命的浪潮使這個(gè)位于歐洲大陸外的島國獲得了巨大的財(cái)富,也帶來了文化的空前繁榮,幾乎在人類的各個(gè)領(lǐng)域都站在了當(dāng)時(shí)的“世界之巔”。

當(dāng)時(shí)的人們不止在生活方式上優(yōu)雅時(shí)尚,略有經(jīng)濟(jì)余力的,還紛紛把興趣放在科學(xué)研究上,要么花“巨資”購買昂貴的儀器,要么干脆親自上陣,自制科學(xué)儀器進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)??诸D (Richard C. Carrington) 就是這樣一個(gè)深諳科學(xué)時(shí)尚的達(dá)人,他于1853年在距離倫敦30公里的薩里郡紅土崗村(Redhill, Surrey)自家別墅上花費(fèi)5000英鎊[2](簡·愛作為當(dāng)時(shí)的一個(gè)私人家庭教師,年收入僅為30英鎊)建了一座私人天文臺(tái)(圖1),開始“仰觀宇宙之大,俯察品類之盛[3]”。

圖1. 紅土崗天文臺(tái)掠影(圖源:https://www.sciencemuseum.org.uk/objects-and-stories/how-does-space-weather-affect-earth)

在最初6年堅(jiān)持不懈的觀測(cè)中,他利用昂貴的望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)了白天測(cè)日,晚上觀星的 “24小時(shí)不間斷觀測(cè)”,這看似循規(guī)蹈矩的觀測(cè)活動(dòng),到了9月1日,一切就要變了。前幾天太陽上已經(jīng)出現(xiàn)了巨大的黑子群,他連續(xù)忙了幾天手繪黑子的工作,但是對(duì)于一個(gè)樂此不疲而又技巧嫻熟的人來說,與其說是辛苦,不如說是快樂(手繪黑子是太陽研究的傳統(tǒng)工作,在照相術(shù)廣泛應(yīng)用于天文學(xué)前,是第一手的“圖像”數(shù)據(jù)資料,我國的云南天文臺(tái)和青島觀象臺(tái)一直保持著這個(gè)傳統(tǒng),圖2)。

圖2. 手繪黑子圖云南天文臺(tái)(上),青島觀象臺(tái)(下)[4](圖源:云南天文臺(tái)/青島觀象臺(tái))

“三臺(tái)演義”

今天早晨起來,卡林頓照例把望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)太陽,然后把太陽的白光像投射到一個(gè)預(yù)先畫好坐標(biāo)的白紙上,描起黑子來。這天的黑子依舊非常大,需要花費(fèi)一定的時(shí)間,一直描到接近中午。然而,突然間,在黑子區(qū)域出現(xiàn)兩團(tuán)閃光,而且在不停的閃耀。起初,卡林頓懷疑是由于儀器的原因,造成反光,但是當(dāng)排除了其他因素后,他頓時(shí)意識(shí)到這是來自太陽本身的閃耀。他驚奇的意識(shí)到這將會(huì)是一個(gè)大發(fā)現(xiàn),想出去找個(gè)共同目擊者。但是60秒回來之后,卻發(fā)現(xiàn)兩團(tuán)閃耀已經(jīng)開始變化,而且存在衰減跡象。卡林頓憑著記憶迅速的把關(guān)鍵的位置描在了這張紙上,如圖3所示。他同時(shí)記錄了整個(gè)過程經(jīng)歷的時(shí)間,11時(shí)18分開始,11時(shí)23分結(jié)束,大約持續(xù)5分鐘,而且也按照投射的太陽像大小估算了該事件移動(dòng)的距離,大約為35000英里。最后,把這個(gè)手繪圖在11月的例行會(huì)議上展出[5]。

圖3. 閃耀首次出現(xiàn)在A、B位置,消失在C、D位置 (圖源:Carrington C. R. 1859, MNRAS)

非常幸運(yùn)的是,還有另一位“業(yè)余天文學(xué)家”霍奇森(Richard Hodgson)先生也在倫敦北郊Highgate的自家天文臺(tái)里同時(shí)觀測(cè)到了這次事件,并在皇家天文學(xué)會(huì)例會(huì)上做了報(bào)告。對(duì)于這次閃耀事件,他不但給出了和卡林頓大致差不多的描述,還增加了對(duì)閃耀顏色和亮度的描述——幾乎可以和織女星(α Lyrae, 天琴座α星)媲美。為了保證彼此觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的獨(dú)立性,卡林頓小心翼翼地保持著自己的結(jié)果,避免與霍奇森進(jìn)行過多的交流,而是讓彼此獨(dú)立完成論文,提交給皇家天文學(xué)會(huì)會(huì)刊發(fā)表,兩篇文章出現(xiàn)在同一期的前后兩篇[6]。但是需要說明的是,當(dāng)時(shí)霍奇森先生也給大會(huì)提交了一幅手繪圖,可惜不知道因?yàn)槭裁丛?,沒有保存下來,這不得不說是一種遺憾。

當(dāng)時(shí),在Kew觀象臺(tái)[7](Redhill, Highgate, Kew三處的相對(duì)位置圖,見圖4)里安裝了最新發(fā)明的自動(dòng)地磁記錄儀,卡林頓事件發(fā)生后,地磁儀記錄到了非常大的偏離,如圖5所示,在11點(diǎn)15分的時(shí)候,出現(xiàn)了一次鉤狀起伏(crochet),18小時(shí)之后,出現(xiàn)了大規(guī)模地磁暴[8] (按照現(xiàn)在的認(rèn)知,第一個(gè)crochet是電離層擾動(dòng),稱為太陽耀斑效應(yīng)(Solar Flare Effect, SFE))。后世科學(xué)家給出了其地磁暴強(qiáng)度Dst指數(shù)(通過環(huán)電流計(jì)算的地磁指數(shù))峰值可以達(dá)到-1760nT[9],遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過有地磁記錄以來的其他地磁暴。

圖4. 三處確認(rèn)卡林頓事件的觀測(cè)地點(diǎn)相對(duì)位置圖(比例尺按照英里計(jì)算),白色星所處的位置為泰晤士河畔威斯敏斯特宮,英國議會(huì)所在地,落成于1858年(圖源:Cliver, E.W., The 1859 space weather event: then and now, Adv. Space Res., 38, 119–129, 2006)

圖5. Kew觀象臺(tái)地磁場(chǎng)矢量的水平分量時(shí)序圖,(圖源:改編自Bartels, J., Solar eruptions and their ionospheric effects – a classical observation and its new interpretation. Terr. Mag. Atmos. Elect. 42, 235, 1937)

能量幾何

這種閃耀,在中國太陽物理學(xué)家的詞典里,有一個(gè)更加深刻的名字——“耀斑”。我們現(xiàn)在可以對(duì)能量做個(gè)簡單的估算,根據(jù)卡林頓提供的手繪圖,耀斑源區(qū)的空間尺度大約為25角秒,持續(xù)時(shí)間約300秒,和織女星的顏色仿佛可以推測(cè)其溫度約為104K, 如果按照黑體譜的假設(shè),那么這次耀斑的熱輻射能量可以按照下式進(jìn)行估算[10],

將上述參量代入上式中,筆者可以粗略地估計(jì)出卡林頓耀斑的熱輻射能量Q5.57x1032erg

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