當天文遇上其他科學

2009年是全球天文年，紀念伽利略使用天文望遠鏡四百年，天文發展的歷史很早，大約西元前4000年，英格蘭出現環狀的巨石陣，據說是巨石排列的位置和夏至冬至的太陽位置有關。但唯有天文望遠鏡的使用，天文才開始加入實驗科學的行列。隨著各類科學的快速進展，天文學和其他科學的關連也益發密切，天文學的研究範圍包山包海，除了傳統的天文觀測，應用其他領域的專業技術是不可避免。本書便是以天文學與其他領域的關連與應用為主軸，以統整的方式介紹在最近十年發表的天文專文，希望讓讀者能有更寬闊的眼光，欣賞我們的宇宙。

本書特色
★將過去四十年中《科學月刊》所刊載的各學科文章按編成專書。

曾耀寰

國立中央大學物理及天文研究所博士。
現任中央研究院天文及天文物理研究所研究助技師、《科學月刊》副總編輯
曾獲第八屆李國鼎通俗科學寫作獎第參獎。
曾任交通大學理學院、臺灣藝術大學通識中心兼任助理教授。
著作包括《企鵝雄兵──用Linux進行電腦叢集計算》以及《Linux萬萬歲》（與謝寶慶合著）；譯作包括《愛因斯坦的鏡子》（與邱家媛合譯）以及《下一波資訊革命──量子電腦》（與邱家媛合譯）。

光明與黑暗、明天與末日──與人類福禍相倚的太陽
曾耀寰

在《聖經》創世紀第一章寫到：神說要有光，就有了光。兩千多年前的西方人對於「光」——如此重要、具有啟發性的光，指的應是太陽。因為「神稱光為晝，稱暗為夜」，而白天的光就是太陽光。相較於滿天星斗，太陽是人類所感受到、在宇宙間最光輝燦爛的一顆星球。《詩經》裡曾出現「杲杲日出」的詠歎；古希臘哲學家赫拉克利特認為火是萬物的本源，雖然沒有明指這個火就是或來自於太陽，但若說永恆不變的火是太陽，原則上也沒什麼大錯。如果沒有恆久不變的太陽，地球不會成熟，也不會有生靈，自然也不會有今日如此聰明的人類。說到人類對太陽客觀的、不夾雜著主觀的感受，第一印象多認為太陽是一個圓盤狀的發光體，所發出的光非常明亮刺眼、令人難以直視。正因如此，這個發光體被古人視為非常理想的圓，沒有絲毫缺陷和斑汙；一旦出現日食奇景，一定是人做錯了事，神降下的處罰。

燦爛恆久的太陽
太陽是如此地明亮，透過現代科學的數據測量，我們可對太陽的亮度做出比較具體的描述。以家裡常用的白熾燈泡而言，其亮度是100瓦，瓦是一種單位，代表每秒鐘所放出的能量。所以燙手的100瓦燈泡，不僅表示它能量很高，也代表了放出能量的快慢。就好像轉開浴室的水龍頭，水龍頭開得越大，代表出水量大、每秒流出的水很多；因此，瓦數越大，也代表流出的能量越大。若將太陽每秒流出的能量換成100瓦的白熾燈泡，可以換成多少只呢？答案是個驚人的天文數字──大約是400000......0000只燈泡──4的後頭共有24個零，多到不知要如何念出來。
這麼亮的太陽到底是什麼成分組成的？和我們地球有何差別？其實太陽和地球是大大地不同，太陽是一個大火氫氣球，而地球只是一顆小石頭，太陽的質量是地球的33萬倍，半徑是地球半徑的109倍，在太陽裡頭可以塞進130萬顆地球。太陽裡頭主要成分是氫和氦，氫原子的數量占94％，氦原子大約占了6％，內部構造粗略地分成核心、輻射層、對流層和太陽表面（包括光球層、色球層、過渡區和日冕）。雖然說太陽是個大氣球，但內部密度可是超乎想像地緻密，從核心發出來的光，會不斷地和裡頭的原子碰撞，經過少則1萬7000年、多則5000萬年的跌跌撞撞，才能走到太陽的表面。
太陽表面果真是完美無瑕？我們很難用肉眼直視的方式來檢查太陽，一般人也就很少仔細觀察太陽表面，因此直覺上會認為太陽是個零缺點的圓盤。
實際上，太陽表面並不是如我們想像，沒有斑點和缺陷。1610年，義大利天文學家伽利略發現，太陽表面有黑色的斑點。這斑點的確是在太陽表面上，因為經過長時間觀察，伽利略發現這些黑斑會改變位置，逐漸朝向右邊偏移，然後從太陽邊緣消失；數天後又從另一邊出現，繼續向右偏移，回到上次的位置。這代表黑斑是在太陽表面，也說明了太陽本身會自轉。這些黑斑稱為太陽黑子。在中國典籍中，早在約西元前 140年，《淮南子》〈精神訓〉便記載「日中有踆烏」，簡單地描述黑子的模樣；詳細的記載則是出現於西元前28年，《漢書》〈五行志〉記載：「河平元年，……，三月已未，日出黃，有黑氣大如錢，居日中央。」不過這也只限於簡單的定性描述。
其實黑子並不是黑色，黑子只不過比周圍的太陽表面暗，所以看起來像是黑的。如果整個太陽變成像太陽黑子一樣，也只不過變暗些，因為太陽黑子的溫度約有三千多度，比太陽表面的六千多度要低，但燒紅的鐵也不過一千多度，可以想見三千多度的太陽黑子還是很亮的。

太陽黑斑發威
小姐女士們最怕的就是太陽的紫外線，紫外線會傷害人的皮膚，在白皙的皮膚上晒出黑斑。太陽黑子就像是太陽臉上的黑斑，不過太陽的黑斑是有生命週期的，一般持續數天，甚至數個月，但總是可以自己消失，無須昂貴的美白化妝品。在《後漢書》〈五行志〉裡頭便也曾寫到：「五年正月，日色赤黃，中有黑氣如飛鵲，數月乃消。」
現在科學家已明白，太陽表面活動和結構都是很複雜的，除了近似黑氣的黑子外，還有磁場、米粒組織、閃焰、譜斑、日珥等。簡言之，由於太陽表面有磁場，表面高溫氣體受到磁場的影響，會有各種不同的變化和活動，太陽黑子則是太陽磁場最強的地方，通常是地球磁場的數萬倍。
先不論太陽黑子的形成原因，光從太陽黑子的表面觀察發現，黑子都是成雙成對的，有時也會成群出現。就長期觀察來看，太陽黑子的數量有週期性的變化：黑子數量上的觀察記錄可追溯到17世紀，但發現數量變化的規律性，是19世紀的施瓦貝（Heinrich Schwabe）。他原先是想尋找比水星更靠近太陽的行星，但因為太陽實在太亮，他嘗試在太陽表面尋找行星的陰影，因此進行了長達十七年的太陽表面觀測，記錄太陽表面的黑斑。
這項觀察記錄的工作，反而讓他發現了太陽黑子數量的變化週期，其變化週期大約為11年，我們稱之為太陽活動週期（solar cycle）。太陽黑子數量最多和最少的時期，分別稱為太陽活動極大期（solar maximum）和極小期（solar minimum）。
如果將太陽黑子數量變化週期和地球長時間氣候變化作比對，科學家意外發現15~18世紀，在北半球的小冰河時期竟然和太陽活動極小期一致。從資料顯示，西元1645~1715年是小冰河時期最冷的時候，當時的太陽表面幾乎沒有黑子活動，這段時期又稱做芒得極小期（Maunder Minimum），平均每年只有一兩個黑子出現（在一般情形下，應該可以看到數萬個太陽黑子）。
太陽表面活動的減少，表示從太陽流出來的能量變少。地球所需的能量都源自於太陽，因此科學家相信，北半球小冰河時期應是太陽產生的能量減少所導致的。從樹木年輪和鑽鑿出來的冰柱可以得知，從17世紀末到18世紀初，歐洲冬天的溫度約減少了攝氏1~1.5度；若從更大的區域來看，其實平均溫度只降了攝氏0.3~0.4度。變黯淡的太陽會使地球局部地區的溫度明顯下降，造成全球性的氣流變化，進而造成冰河時期發生。