太陽科學：一千五百萬度的探索之旅

《太陽科學：一千五百萬度的旅程》
■目次
作者序
第一章 光︰不要相信你的眼睛
第二章 恆星能源
第三章 太陽一家親
第四章 光子的祕密生活
第五章 太陽黑子
第六章 自轉的太陽，出擊！
第七章 活力太陽
第八章 日食與彩虹
第九章 星際旅行者
第十章 太空時代
第十一章 閃焰之必要
第十二章 日冕物質拋射
第十三章 生活在太陽的大氣裡
第十四章 然後呢？
結語 我們的獨特太陽
致謝
附錄：如何安全觀日
名詞解釋
中英名詞對照暨索引

◆作者序

　　本書探討的是一顆恆星，只是我們銀河系裡幾千億恆星的其中一顆，而銀河系也只是散布在已知宇宙裡幾千億星系的其中一個。當你細細思慮這些天文數字的含意，我們的恆星在其中怎麼可能算得上特別呢？然而，至今我研究太陽已經研究了二十年，我清楚認識到太陽實在是一顆不同凡響的恆星，而我正要告訴你理由。
　　在太陽的中心，有個巨大的核子熔爐，釋放出源源不絕的能源。這正是我們渴望能在地球上仿造的，太陽則是天生就能釋放這麼大量的能源，持續輸出一共約九十億年。太陽核心的溫度超過一千五百萬度，這裡的物質受到極大的壓力，正是在這樣極端的環境中，陽光才得以產生。我還記得我當初吃驚地學到，在核聚變反應中以γ（伽瑪）射線的形式誕生的陽光，竟然必須一點一滴地向外「滲透」，歷經整整十七萬年，才終於抵達太陽表面。抵達表層的陽光以可見光的形式發出，奔湧射向地球，只需區區八分二十秒就能被我們看見。但是，太陽向地球發射過來的東西並非只有光線而已，這讓太陽的科學更加令人著迷。
　　太陽一向是顆狂暴的恆星，太陽系中最猛烈的爆炸與噴發都在此發生。在本書中，我想向你揭祕太陽的多種面向與特性，從寧靜但斑駁的表面（以可見光觀察太陽就能看到），到狂暴且無法預測的大氣（需要透過紫外線輻射、X射線、γ射線來看）。爆炸與噴發觀賞起來都很美，但有鑑於我們距離太陽一億五千萬公里，要看清楚並且理解這些現象，對我們來說是件挑戰，因此，我們必須上太空。
　　本書講到幾位早期太空探測先鋒的故事。我們會發現，他們之所以有機會把望遠鏡送上太空，是因為一些派不上用場的第二次世界大戰軍事科技。美國從四○年代開始，英國在五○年代也發展起來。
　　第一批從太空拍攝太陽的影像，使用的是簡單的針孔相機。今天，我們有一整組太空觀測器可以運用，包括NASA的「太陽動力學觀測衛星」（Solar Dynamics Observatory，簡稱SDO）。這枚衛星上的望遠鏡每十二秒拍攝十張極為精細的太陽大氣圖像。這還只是其中一組儀器收集到的資料，這枚衛星有三組科學儀器，分別負責不同的科學任務。這具了不起的太空載具每天都替我們的檔案庫收錄一．五兆位元組（Terabyte, TB）的資料。它一星期產生的資料，比哈伯太空望遠鏡一整年產生的還多，而且它僅僅觀測一顆恆星，而哈伯觀測的是整個宇宙。
　　太空時代讓我們天文學家可以盡情用電磁波頻譜的任何波長觀測太陽，而不只限於可見光。更是可以在任何時間觀測，不限白晝黑夜。少了一層地球大氣層干擾視線，得到的影像品質更是絕佳。但這需要付出高昂代價。每發射一公斤貨物（相當於一包砂糖或高級精鹽）上太空，需要花費超過一萬英鎊，最大規模的太空觀測衛星要價將近十億英鎊。我曾經參與的SOHO衛星於一九九五年發射，耗資七億英鎊。SDO衛星於二○一○年發射，耗資五億五千萬英鎊。但這筆錢花得值得，也聘用了橫跨學術界與產業界，許多才華洋溢的設計師與工程師。太陽相關研究不僅對科學很重要，也對整個太空產業很重要。在英國，這個產業的年營業額超過一百億英鎊，直接雇用超過三萬四千人。在全球，太空經濟的價值超過二千億英鎊。
　　我的學術生涯受到太空時代的極大影響。不僅如此，我想說的是，太空時代完全改變了我們對太陽的了解、擴展了科學的視野，甚至證實太陽的大氣範圍驚人地廣闊，半徑達到一百八十億公里，也就是地球公轉軌道半徑的一百二十一倍距離（作為比例尺參照，這是冥王星平均軌道半徑的三倍遠）。我們一直生活在太陽的大氣裡！而且，隨著這一圈大氣因為太陽狂暴的脾氣而變動，產生猛烈的「太空天氣」在地球上也能感覺得到。我們會學到太空天氣如何藉由影響電力輸送、擾亂衛星與通訊，進而對現代社會造成威脅。但也無需過度擔心︰預測太空天氣現在很普遍了，我們總是密切注意著太陽，為了我們自己的安全，也為了太空經濟。
　　在本書的字裡行間，我們會明白「想了解太陽」這個看似單純的願望，卻催生了更多了不起的發現―我們即將踏上一場奇妙旅程！我們會談到幾千年的肉眼觀測（請讀者千萬不要嘗試）、幾百年的望遠鏡觀測（請洽專業天文器材供應商），還有幾十年的太空觀測歷史（現在只要上網就能免費取得影像）。我們會明白，了解太陽如何需要原子物理學、熱力學、電與磁、重力、光學等領域的應用。我們會知道能量如何傳送，轉化成不同的形式，這項奧祕又是如何被一位船醫發現。我們會了解，太陽磁場的發現需要科學與工程的密切合作，而回報就是促成了太陽物理學的誕生。
　　你可能會覺得我已經對太陽徹底著迷。你說得一點也沒錯。我敢說，我們的太陽是最重要的一顆恆星，無論是遠古或遙遠的未來皆然，因為這顆恆星提供了地球上大多生命萌發與茁壯所需的能量。在我撰寫本書的同時，我們正在尋找宇宙其他地方的生命，在我們的太陽系，還有更遠的地方。我們著手掃描天空，尋找先進文明的無線電信號，也發出我們自己的訊息。還仔細搜查火星的表面，看看有沒有微生物。我們還計畫擴展未來尋找生命的地點，更納入了類木行星的衛星。但是，截至筆者於二○一五年寫下本書為止，在繞著這顆太陽運行的地球上，仍是我們唯一所知的生命形式。
　　儘管如此，本書中我還是提到了其他恆星，這些恆星的生命歷程能協助我們明白太陽的潛能―它將來可能會釋放的強大威力。但是相對的，太陽也是我們了解遍布宇宙的其他恆星的跳板。我們能極為詳盡地觀察太陽，並得到豐富資訊。其他恆星距離我們都太過遙遠，看起來只是小小的光點（除了極少數的特例，像是參宿四）。所以，透過研究太陽，我們能夠了解，恆星基本上就是巨大的電漿球，因為核心發生的核反應過程而發光。聽起來既簡單又優雅。因此在一九二六年，英國數學家、物理學家，也是天文學家的亞瑟．愛丁頓（Arthur Eddington, 1882-1944）抒發這種情懷，寫道：「我們有理由希望，在不久的將來，我們會有能力了解像星星一樣簡單的東西。」
　　愛丁頓活到六十三歲，逝於一九四四年，距離太空時代開始還有幾年。他無從得知太陽的大氣有三百多萬度，也不知道我們有辦法使用困在太陽內部來回震盪的聲波探測其內部，而聲波之所以現蹤，是因為太陽表面的氣體漲落留下的痕跡。倘若愛丁頓今天還在世，毫無疑問，看到我們對太陽的理解程度與其之複雜，他一定會感動不已。在本書中，你會看到科學有了多麼長足的進步，只為了了解愛丁頓鼓舞似地形容是「像星星一樣簡單」的東西。