聆听太阳

Bill Chaplin,伯明翰大学
Bill Chaplin,伯明翰大学 · 摄影:W. Chaplin
Sarbani Basu,耶鲁大学
Sarbani Basu,耶鲁大学 · 摄影:Michael Marsland

四十年的太阳之声,揭示了仪器无法深入的表面之下正在发生什么

澳大利亚纳拉布里的 BiSON 太阳振荡观测站
位于澳大利亚纳拉布里的 BiSON 观测站,背景为澳大利亚望远镜致密阵列的射电天线。

Bill Chaplin、Sarbani Basu 与 Rachel Howe、Yvonne Elsworth、Steven J. Hale 及 Eleanor Murray 共同完成了这项研究,成果于2026年发表于《皇家天文学会月刊》。在此次专访中,Chaplin 与 Basu 共同回答了我们的提问。

对话

Our Narratives 对于从未接触过日震学的读者,能否解释一下,太阳如何鸣响?是什么使它振动?这些音调又如何让你们窥见仪器永远无法穿透的表面之下?

Bill Chaplin 与 Sarbani Basu:太阳内部困住了声波,因此会像乐器一样产生共鸣。可以先用双簧管或单簧管这样的管乐器来作比喻。吹奏时,气流使簧片振动,引起空气压力的变化,也就是声波。声波被限制在乐器管身内部,其中波长合适的声波会彼此增强,形成我们所说的驻波。它们对应着乐器的固有共振模式,因此,我们听到乐器以这些固有谐音发声。

同样的比喻也适用于太阳。在可见表面的下方,气体十分湍动,压力不断变化,声波便自然产生。尽管太阳没有坚硬的边界,只是一颗由炽热电离气体构成的巨大球体,它仍然像一个天然的共振腔,将声音困在内部。被困住的声波中,具备适当条件的那些会在太阳内部形成驻波,使太阳以自身固有的谐音共鸣。

我们无法像聆听乐器那样直接听太阳,但这些被困住的驻波,会使太阳以固有共振频率振荡,如同一呼一吸。通过探测太阳的振荡,我们就能获得与聆听乐器相似的信息。

测量管乐器的共振频率,可以了解它的结构、大小,以及内部的气体,通常是空气。例如,高音小号的共振音调就比大型低音号高。如果排出乐器中的空气,换成更轻的氦气,它奏出的音调便会升高。同样,恒星的共振频率,也能告诉我们它的大小和内部结构。


Our Narratives 按太阳黑子数量来看,第25活动周比此前几个活动周弱,但它的高频振荡却显示,活动强度与过去相当。我们该如何理解这种差异?是表面现象误导了我们,还是两种方法本来就在测量不同的事物?

Bill Chaplin 与 Sarbani Basu:按黑子数量衡量,第24活动周比第25活动周更弱。不过,第25活动周确实弱于第23、第22和第21活动周。

两种观测指标反映的是彼此相关、又相互补充的情况。太阳黑子是太阳表面的暗区,标示出强磁场从下方穿出可见表面的位置。因此,黑子数量告诉我们,有多少强磁场穿过太阳内部的外层区域,一直上升到表面及更外部。

太阳振荡则会对内部磁场作出响应。我们知道,表面下方存在磁场的储存区域,振荡模式能够探查它,但其中并非所有磁场都会以黑子的形式显露出来。


Our Narratives 这些变化似乎正集中到靠近表面、越来越薄的一层之中。太阳内部可能正在发生什么,才会造成这种现象?如果太阳是在改变活动方式,而不只是趋于平静,又意味着什么?

Bill Chaplin 与 Sarbani Basu:这是一个很好的问题,但目前任何回答都只能是推测。事实是,我们尚不清楚太阳发电机机制究竟如何运作,甚至连它位于何处都存在分歧。许多发电机模型将它放在太阳深处,也就是湍动的对流区与相对平静的辐射区交界的位置。另一类模型则将它置于太阳最外侧约占半径百分之五的区域,即所谓的近表面剪切层。在那里,太阳的自转速率越往内越快。目前,两类模型都还无法给出具体答案。

当然,我们也受限于相对短暂的数据记录:较为完整的太阳黑子记录约有四百年,日震学数据却只有四十年。如果日震记录能像黑子记录一样长,我们相信,如今一定能给出更好的答案。


Our Narratives 对于一颗已有数十亿年历史的恒星,跨越几个活动周的变化仍然只是一段很短的记录。你们有多大把握,认为它代表一种真正的转变,而非一次漫长的波动?第26活动周需要呈现什么,才能证实或推翻这种判断?

Bill Chaplin 与 Sarbani Basu:确实如此。我们只能讨论时间尺度与 BiSON 数据跨度相当,或比它更短的变化。不过,对于日震学而言,这套数据的时间跨度已经前所未有。而且,观测到似乎跨越多个太阳活动周的变化,本身就可能是一项意义重大的发现,也进一步说明,各个太阳活动周并不相同。

因此,这里所说的真正转变,指的是发生在数十年时间尺度上的转变。要确认它是否属于系统性变化,我们需要让 BiSON 继续收集数据,观察本轮活动周余下的时间,以及随后几个活动周会发生什么。


Our Narratives BiSON 借助分布在不同大陆的望远镜,已经聆听太阳近四十年。它最初如何开始?要让同一项观测跨越研究者的整个职业生涯,经历技术更替与人员交接,持续下去,需要什么?

Bill Chaplin 与 Sarbani Basu:BiSON 由 George Isaak 教授及其同事创立。二十世纪七十年代初,George 正在研制一种仪器,希望利用多普勒摆动法探测其他恒星周围的行星,也就是测量恒星受到其周围行星的引力牵引而产生的运动。他知道,恒星本身就存在噪声,而这些噪声可能淹没行星的信号。因此,他决定先用太阳测试仪器,测量噪声水平。观测却发现了一个持续存在、周期约为五分钟的信号。几年之后,George 和同事终于证实,他们发现的是太阳整体的振荡。

这使 George 转变了研究方向。他与 Yvonne Elsworth、Roger New、Clive McLeod 等同事建立了 BiSON,持续观测太阳的整体振荡。它是世界上最早的机器人自动化望远镜网络之一,自二十世纪九十年代初起,便一直以全球观测网的形式运行。

多年来,尤其是最近几年,我们不断升级仪器与系统,以便继续收集这些珍贵、蕴含丰富科学信息的数据。参与其中的人也有所更替,而 BiSON 始终保持着世界领先的研究水平。


Our Narratives 科研往往围绕短期经费和快速成果来安排。对于愿意持续观测、等待超过一个活动周的人,有哪些发现才有可能出现?你们是否担心,这类长期记录正变得越来越难以维持?

Bill Chaplin 与 Sarbani Basu:像 BiSON 提供的这种长期记录极其珍贵,它让原本无法开展的研究成为可能。它确实是一份独一无二的记录。

我们对太阳的认识,很大程度上由地面望远镜与仪器发展起来之后,以及卫星观测出现以来所取得的数据塑造。但即使只看这段时期,我们也已经发现,太阳活动的强弱在不同活动周之间存在显著差异。

BiSON 这样的日震观测让我们得以窥见太阳内部。要理解我们正在看到的太阳活动变化,持续开展这些观测至关重要。


Our Narratives 如今,同样通过聆听恒星振动来研究内部的方法,已经用于数千颗恒星。你们在太阳上看到的现象,是否改变了你们对其他恒星的看法,或对太阳究竟有多典型的判断?

Bill Chaplin 与 Sarbani Basu:在许多方面,太阳都是恒星天体物理学的罗塞塔石碑,因为我们拥有观测它的独特优势。我们能够以研究其他类太阳恒星时无法达到的精细程度,观测和研究太阳。因此,理解太阳,有助于我们解读遥远恒星的观测结果,而那些恒星的数据难免更加有限。太阳与其他恒星之间的联系至关重要。

太阳也帮助我们开发、测试和验证星震学的分析工具。星震学通过其他恒星的振荡来研究它们。为此,我们会把这些工具应用于一类特殊的日震数据:观测太阳时,将它当作一颗遥远的恒星,不分辨它表面的影像,只把它视为一个光点。BiSON 收集的正是这种将太阳视作恒星的数据。因此,在开发分析工具的过程中,BiSON 数据发挥了重要作用。这些工具已经用于研究美国国家航空航天局(NASA)的开普勒与 TESS 任务观测到的类太阳恒星,也将用于研究欧洲空间局(ESA)的 PLATO 任务在2027年发射后观测到的恒星。


Our Narratives 你们的工作,是推断一个永远无法直接看见的内部世界。长期从事这样的研究,是否也影响了你们看待表象的方式,让你们思考,任何事物的可见表面,究竟能透露多少内部正在发生的事?

Bill Chaplin 与 Sarbani Basu:这份工作确实让我们体会到,测量一个物体的固有共振,可以提取出多么丰富的信息。日震学为我们打开了一扇前所未有的窗口,让我们得以窥见太阳内部。过去,虽然仅凭恒星表面的观测,就能建立看似合理的恒星模型,但后来的研究表明,这些模型在一些重要方面并不准确,或有所欠缺。


Our Narratives 无论是在这项研究中,还是更早的工作里,有没有某个时刻,太阳让你们感到意外,数据传递了你们原本没有料到的讯息?

Bill Chaplin 与 Sarbani Basu:始终让我们惊叹的是,日震数据竟能如此精细地探测太阳的内部结构,以及它如何随时间变化。

过去,日震学揭示了太阳内部的自转图景,出乎人们意料,也让检验基础物理成为可能。


Our Narratives 如果可以向太阳提出一个问题,并得到清楚的回答,你们会问什么?

Bill Chaplin 与 Sarbani Basu:我们会向太阳探询:请解释一下,你的发电机机制究竟如何运作?

结语

四百年来,我们从太阳的表面解读它。BiSON 的记录却表明,这种解读遗漏了许多。一颗恒星,按一种指标来看可能更为平静,内部却依然像往常一样强烈共鸣;唯有持续聆听足够久的人,才能听出其中的差别。太阳薄薄的外层究竟正在发生什么,第26活动周是否会证实这些变化,仍是悬而未决的问题。要找到答案,需要一种科研很少给予回报的付出:以数十年计的耐心。

延伸阅读

本次研究 论文

本次访谈所依据的研究,分析了 BiSON 从1987年至2025年近四十年的将太阳视作恒星观测数据,发现自第22活动周以来,与太阳活动周期有关的内部结构变化,越来越集中于太阳表面附近。

Chaplin, W. J., Basu, S., Howe, R., Elsworth, Y., Hale, S. J., and Murray, E.(2026)。《连续多个十一年太阳活动周期所伴随的次表层结构变化,正逐渐集中于近表面区域:BiSON 关于第22至第25活动周的日震学新结果》。《皇家天文学会月刊》,549卷,第2期,文章编号 stag847,共5页。 阅读论文

William Chaplin 研究者

他在伯明翰大学的个人主页,介绍了他对太阳及类太阳恒星的研究、在 BiSON 中担任的职务,以及发表的论文。 研究者主页

太阳正在转变吗? 早期研究

由本次论文共同作者 Rachel Howe 领衔的一项早期 BiSON 研究,首次报告了第23活动周出现的近表面变化持续到了第24活动周,为此次新发现奠定了基础。

Howe, R., et al.(2017)。《太阳正在转变吗?近表面结构变化持续贯穿第24活动周》。《皇家天文学会月刊》,470卷,第2期,1935至1942页。 阅读研究

关于研究者

Bill Chaplin 是伯明翰大学天体物理学教授。自2014年起,他一直担任伯明翰太阳振荡观测网(BiSON)的首席研究员,并曾在 NASA 的开普勒、TESS 任务及 ESA 的 PLATO 任务的星震学研究计划中担任领导职务。他于2020年获英国物理学会弗雷德·霍伊尔奖章及奖项,并于2012年获英国皇家天文学会哈罗德·杰弗里斯讲座奖。

Sarbani Basu 是耶鲁大学小威廉·K. 兰曼天文学讲席教授,自2000年起在该校任教。她因在日震学与星震学领域的贡献,获颁印度天文学会瓦伊努·巴普金质奖章,以及美国天文学会太阳物理分会乔治·埃勒里·海尔奖。她是美国科学促进会会士及美国天文学会会士。她与 Bill Chaplin 合著了《星震数据分析:基础与技术》(普林斯顿大学出版社,2017年)。

头图说明:太阳剖面示意图。声波抵达不同深度后,转而返回表面;路径最浅的声波则从表面下方掠过。· 插画:Our Narratives