太陽物理概論Ⅰ：宇宙中的太陽

• 第一講中將介紹一些簡單的天文常識，並說明太陽所處的大環境以及其內部結構。
• 第二講將介紹太陽表面磁場的變化以及電漿氣體的運動情形，屬於太空物理的範圍。

與太陽有關的天文常識

• 整個「宇宙」是由許多「發光的星雲（星系）」及一些暗物質所組成的。
• 這裡所謂的「發光的星雲」就是俗稱的「銀河」。
• 太陽系所在的「銀河」，又稱做「本銀河」。
• 本銀河與宇宙中大多數銀河一樣，為一「碟型的旋渦狀星雲（星系）」。
• 圖一為一典型的旋渦狀星雲(M51)正視圖。
• 圖二為一典型的旋渦狀星雲(M104、M31)側視圖。
• 圖三說明旋渦狀星雲之旋渦臂特性與其中星球的誕生過程。
  • 旋渦臂是一種密度波(Density Wave)或更嚴格的說是一種激震波(Shock Wave)。
  • （註：這種密度波的概念首先由瑞典科學 Bertil Lindbland 家提出，而後再經林家翹博士(C. C. Lin)等人進一步予以定量的估算證明之。）
  • 銀河中的氣體經過旋渦臂時被壓縮，密度增大，故呈「暗帶」（遮住了背景的星光）。「暗帶」為密度波的上游部分。
  • 「暗帶」中的高密度氣體，增加了氣體間碰撞的機會。因此導致了星球的形成，故「暗帶」之後，接著發光的「明帶」。此為密度波的下游部分。（這也顯示了整個反應為不可逆反應，因此旋渦臂可說是一種激震波。）

根據天文觀察結果顯示質量愈大的星球，生命期愈短。旋渦臂中的星球多為此等高亮度、大質量的 O B 型星球。（註：正在進行核融合反應的穩定星球，依其質量及亮度分布所繪出的主星序列圖上，依其質量大小可分為 O B A F G K M 等七型。太陽屬於G型星球。圖四為主星序列圖。上述之星球型別可用口訣 Oh, Be A Fine Girl, Kiss Me! 來幫助記憶。）這些星球在其死後發生超新星爆炸時，會產生一激震波(Shock Wave)，也是一種壓縮波。因此這些超新星爆炸的殘骸，與被其壓縮的四周氣體，結合起來又可形成質量較小的星球。我們的太陽就位在本銀河的一條旋渦臂的外緣。圖五為本銀河結構及太陽系在本銀河中位置的示意圖，其中，碟型銀河上下方可能有一些不可見的氣體暗物質呈球狀分布(Halo)。

　　根據太陽的質量及核融合反應速率，科學家估計太陽藉著燃燒氫而發光的壽命約可延續110億年。目前太陽生命已過了約一半（約49億年）。依據星球演化論的推測，當太陽中的氫成份完全燒盡後，太陽將先膨脹為紅巨星(Red Gaint)、而後發生新星爆炸(Nova)，而成為行星狀星雲（Planetary Nabula,如圖六所示）、再經重力塌陷而收縮成為白矮星(White Dwarf)，並就此終其一生。白矮星是一種由簡併態(Degenerate State)的電子所構成的星球，其體積隨著其質量的增加而減少，因此其質量有一上限，不可無限度增加。

註：不同質量的恆星將以不同的方式結束其一生。根據廣義相對論以及量子力學的計算，一些質量大約為太陽質量三至十倍大的恆星，將先膨脹為紅巨星、而後發生超新星爆炸(Supernova)、再經重力塌陷而收縮成為中子星(Neutron Star)，終其一生。中子星是一種由簡併態的中子所構成的星球。一些質量更大的恆星，在發生超新星爆炸後、則可經重力塌陷而收縮成為黑洞(Black Hole)來終其一生。黑洞是物理數學推導上所得到的一個奇異點(Singularity)。根據理論的計算，黑洞的質量與密度都相當大，因此連一些路過它旁邊的光子也會被它吸引，無法繼續向前行進。根據最近天文觀測的結果，銀河的中心可能有黑洞的存在。又，近來由於物理界終於證實了夸克子(Quark)的存在，因此在中子星與黑洞之間可能還存在一種夸克星(Quark Star)。顯然的，這裡所謂的夸克星是一種由簡併態的夸克子所構成的星球。

註：究竟多大質量的恆星會演變成白矮星？多大質量的恆星會演變成中子星？多大質量的恆星會演變成黑洞？其實並無定論。科學家們只能大致的確定白矮星的質量不能超過約1.4倍太陽質量（Chandrasekhar's Limit,錢卓綏卡極限）。而中子星的質量上限則約為太陽質量的三倍。由於星球燃燒放出能量，因此其質量不斷減少，最後發生新星爆炸或超新星爆炸時又將損失一部分質量，因此其最初質量的估算隨不同模式，出入頗大。再加上星球最初形成時，其組成成分是否為原始的氫氣，或含了其他星球殘骸中的重元素，這些都會影響估算最初質量與恆星生命史之間關係的結果。因此上文中說：質量大約為太陽質量三至十倍大的恆星，將以中子星終其一生。這「三至十倍」只是一個大約估計之值。

問：如何觀測中子星？如何觀測黑洞？

　　（提示：關於星球的演化方面的常識，讀者除了可參考本文最後所列之參考書目，坊間許多通俗科學書刊中也都有詳盡精彩的介紹與中文說明。）

地球半徑1Re = 6,378 km

太陽半徑1R☉ = 696,000 km = 100地球半徑 = 10木星半徑

地日距1AU = 149,600,000 km = 100太陽直徑 = 八分鐘光程

太陽質量1M☉ = 198,900,000,000,000,000,000,000,000,000 kg

= 地球質量的332,946倍

= 全部太陽系行星質量的700倍

太陽自轉一周平均約須27個地球日

註：太陽表面氣體自轉一周所需時間隨緯度而異：赤道區約須24天，中高緯區約須30天以上。此外赤道區太陽表面氣體自轉速度亦隨高度而異：上層氣體轉得較快，下層氣體轉得較慢。這種不同轉動速度的特性，被稱之為太陽表面氣體的差動自轉(Differential Rotation)。圖七為最近科學家對太陽表面以及內部氣體差動自轉的觀測結果。圖中顏色由紅到藍表示旋轉速度由快到慢。可見除了上述的自轉差異之外，高緯區太陽上層氣體自轉速度反而比下層氣體轉得快。顯示高低緯太陽氣體自轉速度的垂直分布趨勢也不同。

　　就好像地球物理學家利用地震波來探測地球內部結構（地震學，Seismology）。太陽物理學家也是根據日震學(Solar Seismology)的觀測結果（觀測太陽表面不同波長和頻率之脈動的亮度變化，或速度變化，也就是觀測都卜勒頻移）以及一些恆星結構之理論模型，科學界公認之太陽「目前的內部結構」情形大致如圖八所示：

　　太陽內部的中央為核心(Nucleus)約位在 0-0.25 太陽半徑。密度約為水的158倍；溫度約為15,000,00°K在如此高溫高密度的環境下，可發生核融合反應(Nucleus Fusion)。

　　太陽核心之外為太陽輻射層(SolarRadiativeZone)，約位在 0.25-0.86 太陽半徑。其底部密度約為水的20倍，溫度約為8,000,000°K；其上部密度約為水的0.01倍，溫度約為500,000°K。

　　太陽核心所發生的核融合反應，可能是氫-氫鏈反應，以及碳循環鏈反應。這些核融合鏈反應可放出巨大能量（光子，Photon）以及微中子(Neutrino)。其中光子須經約兩百萬年的時間，才能慢慢藉著碰撞與再輻射的方式穿過緻密的太陽輻射層到達太陽表面，而微中子則不會與太陽內部物質碰撞作用，因此可以自由的穿過太陽內部高密度區到達太陽表面。科學家們希望藉著測量到達地表的微中子數量，來確定理論上太陽內部核融合反應方程式的正確性。然而到目前為止，測量到地表的微中子數量仍少於理論上所預測的數值。

　　值得一提的是，發生核融合反應是決定一個星球為恆星的必要條件。小學教科書上教小學生，以星球自己發光與否來區分恆星(Star)與行星(Planet)，嚴格說來是不正確的。因為行星在生命初期，自己也會發光。巨大行星如木星，它目前所放出來的能量，還是超過它所吸收之太陽能。另外一種說法，認為恆星是不動的星星，而行星是會運行的星星，這也是不正確的。以太陽為例，太陽就是繞著本銀河中心，旋轉運行。而本銀河在宇宙中的位置也一直在改變。

　　太陽輻射層之外為太陽對流層(Solar Convection Zone)約位在0.86-1個太陽半徑。其底部密度約為水的0.01倍，溫度約為500,000°K；其上部密度約為水的0.0000004倍，溫度約為6,600°K。在此區域，密度低而溫度向上遞減得又相當快，在此情況下，本區域內的氣體（中性氣體與部份游離的電漿），會發生對流的現像。太陽內部能量也就藉著此對流過程快速的傳遞到太陽表面。

　　太陽對流層上方表面依次為：光球層(Photosphere)及色球層(Chromosphere)。色球層之外是日冕(Solar Corona)。太陽之光球層與色球層的電漿溫度約為5770°K 至 4,500°K，日冕的電漿溫度則可高達一百萬度。圖九為此三區之電漿溫度隨高度變化的曲線示意圖。有關日冕區太陽大氣增溫過程的物理機制，有許多種理論，但由於缺乏現場觀測(in Situ Measurement)與採樣之佐證，目前仍無定論。

註：日冕區太陽大氣增溫的可能物理機制(Corona Heating Mechanism)，包括了：聲波衰減加熱(Sound Wave Damping)、艾爾文波衰減加熱(Alfven Wave Damping)、微小尺度太陽閃焰加熱(Micro Flare Heating)等等。

　　太陽風是由太陽表面吹出來的一種高速電漿流。太陽風可說是日冕的延伸，也就是太陽大氣的延伸。這些電漿流的運動受到太陽磁場的影響，而太陽的主要磁偶極場也因這些電漿流的運動所產生的電流而變形。圖十為變形後之太陽磁場結構示意圖。太陽風大約在距離太陽不到0.1AU處（理論估計約在3-30個太陽半徑處）就已經加速成為超磁音速的電漿流，因此當太陽風吹過各個行星時，會在行星的向陽面形成一激震波。由於此激震波的形式與船在水中前進所產生的船頭波(Bow Wave)很相似，故又稱之為(Bow Shock)，可譯做艏激震波。（註：但也有人譯做弓形震波，這種譯法雖然不對，因為(Bow Shock)的幾何形狀比較像碗而不像弓，但是以訛傳訛，由來以久，因此許多通俗文獻上都是如此翻譯。）如果一個行星有磁場，則太陽風除了會在其磁層的向陽面外側造成一艏激震波，並且會與這個行星的磁場作用產生電流，而使得這個行星的磁層變形如圖九所示，其變形的情形隨該行星的磁偶極的方向不同而異，這些物理過程將於「磁層物理概論」中再詳述之。不過以地球為例，磁層(Magnetosphere)的大致結構為向陽面被壓得扁一點，而被陽面被拉得很長。地球的磁層頂(Magnetopause)在向陽面距離地心約十個地球半徑，而被陽面磁尾(Magnetotail)的磁層頂距離地心則可達約200-1000個地球半徑。

　　假設銀河中的星際間，也有電漿與星際磁場，再假設太陽相對星際電漿的運動也是超磁音速，那麼發生在太陽風與行星磁層之間的故事，就會在星際風與日磁層之間重演了。圖十一與圖十二中，日磁層頂可能也是一邊靠近太陽，距太陽約100-150AU，而且其外側還可能有一個Bow Shock（艏激震波）；而相反的一側，也就是日磁尾側的日磁層頂，科學家估計其距離太陽最遠可達約10,000AU。

　　當超磁音速的太陽風遇上了近太陽的日磁層頂（距太陽約100-150AU），就好像高速行進中的車流撞上了稻草堆一樣，會發生連環大車禍，產生激震波。目前科學家估計這個激震波大約位在距離太陽50-100AU處。科學家們稱之為終止激震波(Termination Shock)，意味著太陽風到此終止，不再吹風(Wind)了，變成了徐風般呼吸似的(Breathing)次音速亂流。

　　圖十二為五艘太空船：先鋒九號、十號(Pioneers 9 and 10)、航海家一號、二號(Voyagers 1 and 2)、以及最近發射之太空船Ulysses目前行進方向的示意圖。由圖中可見除了最早發射之先鋒九號正朝著日磁尾飛去，其餘幾艘太空船均朝著靠近太陽的日磁層頂飛去。又由圖十三可知科學家對終止激震波的預測可在十年內，藉著太空船獲得實地觀測上的驗證。而人類對太陽大氣的邊界──日磁層頂──的實地觀測，則仍有賴各個科技先進國家執政著以及立法院對太空物理基礎研究的繼續支持，才有可能在短期內（你我有生之年？！）達成。

參考資料

1. Philippe de la Cotardiere (editor-in-chief), Larousse Astronomy, Facts on File Publications, NewYork, 1987.

2. Frank H. Shu, The Physical Universe, An Introduction to Astronomy, University Science Books, Mill Valley, California, 1982.

3. Venkatesan, D., and S. M. Krimigis, Probing the Heliomagnetosphere, EOS, October 30, pp. 1755-1756, 1990.

圖八、太陽內部結構示意圖。

圖九、太陽表面電漿溫度隨高度變化的曲線示意圖。

圖十、太陽磁場結構的側視示意圖，以及行星磁場結構的側視示意圖。

圖十一、太陽磁場結構、終止激震波(Termination Shock)、以及日磁層外側Bow Shock（艏激震波）在黃道面上的示意圖。

圖十二、日磁層示意圖，以及五艘太空船：先鋒九號、十號、航海家一號、二號、和最近發射之太空船Ulysses，目前行進方向的示意圖。

圖十三、預期中遠航太空船與探針的行程距離。