天文
开普勒400年前的太阳黑子素描帮助解决了一个现代谜团
17世纪太阳黑子活动的急剧减少一直困扰着天文学家。最近，一支由日本和比利时天文学家组成的团队重新分析了约翰内斯·开普勒在17世纪绘制的太阳黑子图，利用现代分析技术解决了这一长久以来的谜团。相关研究论文发表在《天体物理学杂志快报》上。
2024年5月11日的裸眼太阳黑子群。在大约11年的太阳周期中，通常会观察到40,000到50,000个太阳黑子。
在17世纪初，谁最早观察到太阳黑子曾引发激烈争论。如今我们知道，早在公元前364年至28年之间，中国古代天文学家就已经观察并记录了太阳黑子。807年，一位本笃会修士误以为他看到的是水星过境太阳，实际上那是一个太阳黑子；类似的误解在12世纪也很常见。1128年12月，一位英国修士首次绘制了太阳黑子。
1610年底，英国天文学家托马斯·哈里奥特(Thomas Harriot)首次通过望远镜观察到太阳黑子，并在笔记中记录了这些观测结果。伽利略也在同一时期进行了类似的观察，尽管他在1613年才发表了关于太阳黑子的科学论文，并附有素描。伽利略认为这些黑子不是太阳的卫星，而是类似大气层中的云朵或太阳表面的特征。但提出这一观点的并非伽利略，而是荷兰天文学家约翰内斯·法布里修斯(Johannes Fabricius)，他在1611年发表了关于太阳黑子的科学论文。
开普勒阅读了法布里修斯的论文，并对其非常钦佩。他通过暗箱在1607年观测到太阳黑子，并在1609年的一篇论文中发表了这一发现，最初认为那是水星过境。1618年，他收回了这一报告，认为自己看到的是一群太阳黑子。开普勒的太阳黑子素描基于他在自己家中和布拉格的宫廷技工尤斯图斯·布尔吉的工作坊中的观察。在他家中的观察中，他记录了“一个小斑点，大小如一只小苍蝇”；在布尔吉的工作坊中，他记录了“一个小斑点，位于中心，深黑色，大小和外观如一只薄的跳蚤”。
最早的可确定日期的太阳黑子图基于开普勒在1607年5月用暗箱进行的太阳观测。
毛德极小期之谜
这篇最新论文讨论的长期争议是关于1645年至1715年间的时期。尽管天文学家尽了最大努力，这段时间记录的太阳黑子非常少。这是天文学史上的一个独特事件。在这段时间内，天文学家仅观察到约59个太阳黑子，而在我们现在的类似时间跨度内，观察到的太阳黑子数量在40,000到50,000之间。尽管如此，天文学家还是能够确定太阳黑子似乎每11年一个周期。
1887年和1889年，德国天文学家古斯塔夫·斯波勒注意到了这一急剧下降，而他的英国同事爱德华和安妮·毛德进一步研究了太阳黑子纬度随时间变化的情况。那个时期被称为“毛德极小期”。斯波勒还提出了“斯波勒定律”，即周期开始时的黑子出现在太阳北半球的高纬度，随着周期的进行，黑子移动到南半球的较低纬度，直到新的周期开始，黑子再次出现在高纬度。
然而，太阳周期如何过渡到毛德极小期并不清楚。基于年轮的重建数据产生了相互矛盾的结果。例如，一项重建结果认为这一过渡前存在一个极短的约五年周期或一个极长的约16年周期。另一项年轮重建结果则认为太阳周期的持续时间是正常的11年。
独立的观测记录可以帮助解决这一差异。这就是为什么日本名古屋大学的Hisashi Hayakawa及其合著者转向开普勒的太阳黑子图，寻找更多见解。这些图比现有的望远镜观测记录早了好几年。
量化开普勒的观测
“由于这一记录不是通过望远镜观测的，它仅在科学史的背景下被讨论，从未用于17世纪太阳周期的量化分析，”Hayakawa说。“但这是有史以来最早通过仪器观测和投影绘制的太阳黑子图。我们意识到，只要我们能确定观测点和时间，并重建当时太阳表面特征的位置，这张太阳黑子图应该能够告诉我们太阳黑子的位置，并指示1607年的太阳周期阶段。”
根据开普勒的观测，研究人员提出了太阳周期-14和-13之间的周期边界范围，如红线所示。
开普勒在他的图中将太阳黑子群定位在左下象限。Hayakawa等人“去投影”了这些图(由于暗箱观测，图像是倒置的)，并考虑了角度，比较了开普勒的记录与当代数据。他们发现太阳黑子位于较低的纬度。这意味着开普勒在其书中著名的示意图与暗箱图像和天文学家的原始文本相冲突。作者认为，可能是制作插图的绘图员感到困惑。
研究团队依靠斯波勒定律确定黑子群出现在前一个太阳周期的末尾(太阳周期-13)，而不是新周期的开始(太阳周期-14)。在新周期中的望远镜观测将太阳黑子置于较高纬度，符合斯波勒定律。他们还能够将两个周期之间的过渡时间缩小到1607年至1610年之间，支持前一个太阳周期的正常持续时间，而不是极短或极长的周期。
“看到历史人物的记录在几个世纪后仍能为现代科学家传递重要的科学意义，真是令人着迷，”比利时皇家天文台的共同作者Sabrina Bechet说。“我怀疑他们是否能想象到他们的记录在他们去世多年后仍能为科学界带来益处。我们仍有很多可以向这些历史人物学习，除了科学史本身。就开普勒而言，我们是站在科学巨人的肩膀上。”
本文译自 Ars Technica，由 sein 编辑发布。