20.日震学

定 义：一种通过测量影响太阳表面的波来研究太阳内部的技术。

发现历史：1926年，亚瑟·爱丁顿首先概述了主导恒星内部的原则。

关键突破：1962年首次观测到太阳表面的振荡，但它们的起源直到1970年才由罗杰·乌尔里希（Roger Ulrich）给出解释。

重要意义：日震学技术是观测太阳火热表面之下的唯一方式。

 

几个世纪以来，虽然天文学家已经了解到太阳是一个巨大的气体球，但其内部结构模型只能依赖于理论计算。后来，基于人们对太阳上层的振荡的研究，情况开始发生变化。

我们的太阳是一个非常复杂的天体，也是我们关于一般恒星属性的诸多理论的实验平台。作为一个巨大的旋转气体球，太阳的中心有一个强大的能源，其表现常常与人们的直觉判断相反。例如，太阳赤道地区的旋转速度比极区快得多，这一结果（尤其是太阳上层产生的扭缠的磁场）导致太阳的活动周期长达11年。即使是现在的计算机时代，对太阳内部行为进行建模也是一个巨大的挑战。

内部平衡

我们现在对太阳内部结构的看法与英国天体物理学家亚瑟·爱丁顿在1926年出版的《恒星内部结构》（The Internal Constitution of Stars）一书中提出的观点相比，并没有什么本质变化。爱丁顿认为恒星的内部是一系列假设球层，其中任何一层都必须在向内拉的引力和向外推的辐射压力之间保持良好的平衡。虽然恒星内的物质可以穿过这些层向上或向下移动，但是层本身必须始终保持一种流体静力学平衡。恒星内产能的变化会影响平衡并导致恒星膨胀或收缩，直到达到新的平衡——这是恒星演化理论的一个关键概念。

根据对实验室中气体行为的研究，爱丁顿接着表明，在恒星高压的内部，大部分能量将通过辐射转移来传输——高能电磁波（伽马射线和X射线）的发射和吸收。只有到了恒星的外层，大团气体的运动（在对流元胞中，较热的物质上升，较冷的物质下沉）才开始接手，负责将能量继续传输到恒星的可见表面或者说光球。因此，类太阳恒星的内部可以分成产生能量的核心（现在我们知道是由核聚变驱动的）、中间的辐射区和外部的对流区。自爱丁顿时代以来，天文学家已经深入地了解了其他恒星的行为，并发现小质量恒星和大质量恒星的内部结构与太阳有所不同，但这种模型对于太阳本身来说仍然是基本正确的。

探听太阳

天文学家们会如何研究太阳的内部结构呢？也许你会觉得惊讶，但他们确实是通过“听”——太阳表面以各种类似于声波的方式振荡着，这些波穿过太阳内部并在光球层附近激起涟漪，通过这些波的特性可以揭示出它们经过的物质的性质。这些振荡于1962年被首次发现，当时美国加州理工学院的罗伯特·莱顿（Robert Leighton）等太阳物理学家研究了来自太阳表面不同区域的光的多普勒红移和蓝移。他们发现，太阳表面的小区域存在着振荡，也就是说先向地球方向移动，然后再远离地球，振荡的平均周期约为5分钟。这些振荡模式一开始被认为只是一种表面效应，直到1970年才得到正确的解释，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的罗杰·乌尔里希提出了一种理论，描述了太阳深处的压力波（相当于声波）在太阳表面产生的凹凸起伏的驻波扰动。当不同的波在太阳表面附近以较慢的速度向各个方向传播时，它们彼此之间会发生干涉从而产生振荡模式。

观测证实了乌尔里希于1975年提出的“p模波”模型的准确性。一年之后，英国剑桥大学的道格拉斯·高夫（Douglas Gough）发表了一篇论文，描述了如何通过分析太阳压力波，为研究太阳提供新的工具。其涉及的原理类似于通过地震波的分布来研究地球内部的技术，该领域很快被称为日震学（helioseismology）。

这幅合成图像揭示了太阳表面上的振荡模式，这些振荡使得我们可以绘制出太阳内部大量的细节。

“类太阳恒星的内部可分为产能的核心、中间的辐射区和外层的对流区。”

震动的发现

也许这种技术最直观的用途是识别太阳内部的转换边界。这些边界通常涉及太阳内部物质的物理变化，这反过来会改变p模波的速度或方向，并在太阳表面留下蛛丝马迹。1991年，高夫等人利用这一原理确定了太阳对流区的下边界，大概处于从光球到日核1/3的位置上，而在1995—1997年间，几个研究小组使用地基望远镜与太阳和日球层探测器的观测数据，发现在从对流区以下到其总深度的4/5的区域中，太阳是均匀自转的，是独立于对流区的。这一特性定义了辐射区的范围，因此也确定了辐射区下面的日核的大小。

日震学的其他应用更局部化——例如在2002年，对对流区的研究揭示了光球层以下太阳深处的快速移动的超热等离子体的喷流。同时，太阳黑子等表面特征通常会吸收日震波——这种效应可用于追踪太阳背面的黑子群的发展。这可以用来预测空间天气——太阳耀斑和其他与太阳黑子相关的爆发，因此太阳和日球层探测器同其他卫星自2001年以来一直持续监测太阳日震活动（译注：太阳和日球层探测器于1995年12月发射，目前已不再提供日震等方面的数据，2010年2月发射的太阳动力学天文台卫星接手了它的工作）。

日震学是一门年轻的科学，并且有许多未解决的问题。 例如，太阳的振荡现在被认为有3种变体或者说“模式”——它们分别是乌尔里希识别出的压力驱动的p模波、在太阳表面上传播的f模波以及仅发生在对流区下面的深层g模波。追踪g模波是一个相当大的挑战，到目前为止，各种探测到g模波的声明都未得到证实，但如果能够找到它们，就有可能解锁太阳核心的隐藏结构。

日本超级神冈中微子望远镜的内部好像洞穴一样，有一个装满5万吨水的水箱并排列着1万多个光敏探测器。这些探测器可以追踪中微子以接近光速穿过水箱时发出的切伦科夫辐射的微光。