13次神秘的太陽探索之旅（簡體書）

每天早晨，一個巨大的核反應堆從地平線升起，讓我們沐浴在維持地球生命所需的光和熱中。這是一個熟悉的景象，然而我們對太陽卻不甚了解__太陽最初是怎樣形成的？太陽黑子周期預測哪個更準確？太陽在走向死亡嗎？隨著我們進入這個前所未有的太陽物理學時代，本書帶領你回顧人類探索太陽的歷程，見證知識增長的物理學壯舉。

這是一顆恒星的故事，在很大程度上也是一個關於我們人類的故事，一個我們發揚智能並且無法克制渴望進一步擴展知識領域的故事。

科林·斯圖爾特（Colin Stuart）

英國皇家天文學會會員、著名天文科普作家，曾榮獲歐洲天文學新聞獎二等獎。他致力於天體物理學普及，長期為《衛報》《華爾街日報》《新科學家》，以及歐洲航天局等多家知名媒體和機構撰寫科普文章。科林·斯圖爾特已出版《13 次時空穿梭之旅》等19本著作，他的作品被翻譯成21種語言。

為了表彰科林·斯圖爾特對普及天文學的貢獻，小行星15347以他的名字命名。

★寫給地球人的太陽之書

本書全面介紹我們對太陽的探索歷程，回顧我們的知識增長的物理學壯舉，揭示其令人困惑的奧秘，並展望未來研究方向。

★ “羲和號” 的成功發射，標志著我國進入“探日時代”

太陽是離地球ZUI近、與人類關係ZUI密切的恒星，在地球漫長的歷史中的每一天，它都毫不動搖地存在於我們身邊。這是一顆恒星的故事，在很大程度上也是一個關於我們人類的故事！

★全面揭開太陽的諸多奧秘

太陽在46億年前是怎樣形成的？太陽身處何處？太陽有兄弟姐妹嗎？太陽是暗物質實驗室嗎？太陽黑子、耀斑和日冕物質拋射對地球有何影響？太陽在走向死亡嗎？太陽死亡會留下“宇宙墓碑”嗎？太陽熄滅，我們能否存活？太陽要熄滅時，我們可以做些什麼？……

★科林·斯圖爾特已出版19本科普著作，作品被翻譯成21種語言

為了表彰他對普及天文學的貢獻，小行星15347以他的名字命名。

★ 專業人士認可、讀者喜歡的太陽科普

《尋找薛定諤的貓》《萬有引力》《量子糾纏》等作者推薦，榮登英國亞馬遜天文學太陽研究科普類暢銷榜前列。

太陽代表了很多東西：美、燈塔、能源、好戰。它讓我們得以存在，但同時也威脅著我們的安全。它能在 1.5 億千米之外灼傷我們的皮膚，這足以說明它有何等巨大的威力。古往今來，人們崇拜它如同崇拜神明，但也懼怕它如同懼怕魔鬼。它駕馭著氣象，在極地上空畫出了絢麗多姿的極光。一旦它的磁場大發雷霆，危險的輻射洪流將在整個太陽系中泛起波瀾。鳥兒每天清晨都歡唱著迎接它的來臨，一旦它在夜間離去，鳥兒就會歸巢，以保證自己的安全。在它的照耀下，植物的嫩芽鉆出地面，開出沁人心脾的芳香花朵。樹木如同無數太陽能電池板，吸收著它的光能，使得我們可以從化石燃料中釋放它從遠古保存至今的能量。

然而，正是太陽，一個我們如此熟悉的事物，一個對我們所在的這顆太陽系第三行星上幾乎一切事物都如此關鍵的天體，卻一直是一個讓人類感到困惑的神秘存在。在廟宇拱手低頭，為望遠鏡讓開道路的時刻，我們開始嘗試認識它。20 世紀，從一位具有遠見卓識的天文學家在加利福尼亞（California）建造了一座太陽觀測臺開始，我們對太陽的認識逐漸增加。隨著太空時代的到來，地球同步衛星飛上了太空。從 20 世紀 90 年代開始，一大批專門用來探索太陽奧秘的空間太陽探測器接受了我們的派遣，負責收集這顆距離我們最近的恒星的相關信息，其工作規模達到了史無前例的地步。根據它們的工作，我們最終確定了太陽所有能量的來源，知道了太陽光是如何一步步曲折地來到太陽表面，然後飛向地球的。現代天文望遠鏡讓我們見證了宇宙其他地方的恒星的誕生，也讓我們知道了距離我們最近的恒星是如何誕生的。但我們還有許多的東西需要認識。太陽活動多得令人眩暈，但我們基本上還無從解釋它們。一個半世紀以來，每隔 11 年左右（太陽黑子活動周期的時間），就能看到太陽黑子（sunspot）數目從增加到減少的過程，但我們仍然無法預測下一個周期的具體時間與強度。最為緊迫的是，我們需要理解會對科技裝置造成嚴重影響的恒星爆炸（stellar explosion），並預測其發生的時間，因為它有可能讓地球文明退步數百年。恒星爆炸的兇猛程度足以摧毀人造衛星的電路，使電網癱瘓，讓國際航班停飛。在冷戰的高潮期，太陽甚至差點引發了一場核衝突。這一威脅如此嚴峻，讓當今世界各國政府將太陽視為等同於地震、颶風和恐怖主義的存在。太陽可以對電子基礎設施造成價值上萬億美元的破壞，我們需要花費數月甚至數年之久才能將其修復。

天文學家們竭盡全力地尋找答案，以期能夠獲得具有重大突破的科學知識。在過去成功的鼓舞下，我們的下一代太陽觀測臺正在加緊工作。龐大的火山旁邊，巨大的鏡面高高聳立，以便更近距離地探測太陽表面。它們強大到足以讓人們看到一個在相當於地球直徑的距離之外的人。人們正在把新的空間探測器投入太陽系，讓它們到達從未到過的距離，以求盡可能地靠近我們的恒星。2018 年 11 月，帕克太陽探測器（Parker Solar Probe）打破了之前的探測器距離太陽最近的紀錄，最終來到距離太陽約 600 萬千米的地方。那裡要比水星（Mercury）的軌道到太陽的距離近得多，帕克太陽探測器將在那裡接受1000 攝氏度以上高溫的考驗。它很快將利用金星（Venus）的引力飛行，逐步改變自己的軌道，向上爬高，超越日地連線，史無前例地窺探太陽的極地__這是對於理解太陽的周期性自然狀況具有關鍵意義的地區。在今後 10 年間，這些無畏的探索者將會給我們送回前所未有且數量巨大的有關太陽的數據。現有的數據如此之多，即使成千上萬位天文學家也沒有足夠的時間對它們進行徹底檢查。為了能夠分析這些數據，人們正在世界範圍內開發人工智能算法。

所以，當前的時刻，正是回頭看同時向前看的絕好時機。回溯當年，我們覺得太陽只不過是天空中的一個球體；展望明日，我們的認識將會發生天翻地覆的轉變。在本書中，我們將通過繪製從拜神紀念碑到巨型天文臺的發展征程，展示恒星發電站旁令人嘆為觀止的活動，揭示其中令人困惑的奧秘，並探索見證了促使我們知識增長的物理學壯舉。但這並非講述的是區區一顆恒星的故事，而在很大程度上是一個有關我們人類的故事，一個我們發揚智能並且無法克制渴望想進一步擴展知識領域的故事。千百年來，一代又一代天文學家披荊斬棘，不斷地增加對於太陽的認識，許多人突破了個人與職業的藩籬，在知識領域內添加了新的內容。例如，那些避開戰爭觀察日食的天文學家，那些為實現認識上的飛躍而粉碎家族統治的人，以及那些為了發動天文學革命而躲開政治革命的人。

在看到了太陽是如何來到銀河系（Galaxy）一個幾乎不起眼的角落之後，我們將直抵太陽的核心。在不可思議的煉獄之火中，我們將弄清：恒星的能量是如何在重重困難下形成的。然後，我們將從那裡出發，向外飛躍，穿過太陽大氣，並在地球上短暫停留，看看天文學家們是怎樣努力應對受太陽活動影響的太空氣候的。接著，我們將從其他行星的身邊飛過，看看它們是如何在太陽的猛攻下幸存下來的。我們將遠遠越過冥王星（Pluto），到達太陽影響力的邊緣，直至走向更為廣闊的銀河系。在""奧德賽之旅""的終點，我們將敘述偉大的生命給予者__太陽的生命將會如何結束。

但在旅途的起點，我們將回顧我們的認識是怎樣從過去的迷信演變成今天的科學的

1 從迷信到科學 / 001

2 拆解彩虹 / 020

3 誕生中的恒星 / 046

4 核動力源 / 070

5 日光的史詩之旅 / 095

6 太陽黑子與太陽周期 / 119

7 恒星爆炸 / 145

8 日冕之謎 / 170

9 太陽風 / 194

10 在有太陽存在的情況下生活 / 219

11 走向星際空間的門戶 / 245

12 遨遊銀河系 / 271

13 星光熄滅 / 294

結論 / 315

致謝 / 319

專業術語 / 321

從迷信到科學

太陽__盡管有那麼多顆行星圍繞著它旋轉，依賴著它存在，但它仍然可以讓一串葡萄成熟，就好像在宇宙中沒有別的事情可幹似的。

__伽利略·伽利雷（Galileo Galilei）

在秘魯庫斯科（Cuzco）古城郊外可以俯瞰薩克賽瓦曼（Sacsayhuamán）古堡的山坡上，無數當地人蜂擁而至。山下即將舉行慶祝活動，他們爭先恐後地來到這裡，都想一睹為快。許多人凌晨就來了，為的是確保占據觀賞的最佳位置。旅遊者經常為能占據演出中心的正面看臺座位而付錢，最低票價為100美元（按1美元≈6.5元人民幣）。周圍的街道被圍得水泄不通，形成了六七層人墻。這天是6月24日，成千上萬的來訪者都是為慶祝古代印加人（Inca）的傳統節日__太陽節（Inti Raymi）而來的。這座莊嚴的城市是印加帝國（Inca Empire）的古都。在這特殊的一天，色彩繽紛的遊行隊伍和各種慶祝活動取代了日常交通帶來的喧囂，城市裡的其他活動都突然中止。受邀的舞者、演員和音樂家約有500名，他們給人們帶來了歡樂。組織者們聲稱，在南美洲的慶典中，其規模僅次於裡約熱內盧的狂歡節（Rio Carnival）。

太陽節慶祝活動開始於1412年，今天的活動是1412年的現代簡化版，目的是向南半球的冬至__全年最短的一天致意。它也標志著印加新年（Inca New Year）的開始。在印加人崇拜的所有神靈中，太陽神印蒂（Inti）是最神聖的。人們認為，冬至是他距離地球最遠的時候，因此他們召喚他歸來，希望他在新的一年裡給人們帶來光明和支持。最初，節日延續9天，王子、牧師和將軍都會盛裝出席，在街上遊行並祭祀太陽神。印加人祖先的木乃伊也會被人們從附近廟宇和聖壇的安息地中請出來，替他們穿衣打扮後再放到華麗的椅子上，由親友抬著遊街。人們高舉金黃色的酒杯__裡面盛放著用發酵的玉米釀成的吉開酒，向印蒂祝酒。人們宰殺數以百計的美洲駝，在供奉太陽神的""太陽神廟""（Coricancha temple）裡將其作為犧牲敬獻給太陽神。這些駱駝的血鋪滿周圍的街道，而這些街道被人們有意按東西向建築，以便與冬至這一天日出的光線的方向一致。接著，人們把這些動物的內臟取出，從中推測未來事件。這與通過解讀茶葉渣形成的圖案來推測有關事件的占卜方法頗有相似之處。人們也並非沒有聽說過將兒童殺死作為供品的例子。這與阿茲特克人（Aztec）的傳統__斬殺戰俘獻祭遙相呼應，用以確保太陽有足夠的能量在天空中按照固定的軌跡運行。今天的慶祝活動相對節制，只宰殺了一頭美洲駝祭天，但五彩繽紛的裝點依舊保留了下來。

太陽節的景象確實壯觀，但它只是我們人類在自己的整個歷史上尊崇太陽的一個縮影。印度教（Hinduism）中的太陽神是蘇利耶（Surya）。人們口中的太陽神蘇利耶常常乘著由七匹馬拉著的戰車，其中每一匹馬代表著彩虹的一種顏色。事實上，代表日出與日落的紅色的是蘇利耶的戰車御者阿魯娜（Aruna）。在中國神話中，太陽是十兄弟中唯一存活下來的那個，他們曾經同時照耀著大地，炎熱的天氣讓人無法忍受，於是英雄後羿挺身而出，用弓箭射落了九個太陽。在英格蘭，著名的史前遺跡__圍成圓形的巨石陣，大約建於公元前2500年，其中巨石陣的主軸線指向夏至日出和冬至日落的方向。在埃及的納布塔（Nabta ）和卡納克（Karnak），人們也發現了按照太陽運動軌跡排列的類似的巨石陣。與此類似的還有在阿布·辛拜勒（Abu Simbel）的拉美西斯二世（Ramses II）雕像。在每年的2月22日和10月22日，陽光將照亮這尊法老塑像的臉龐，而這兩天分別是他的加冕日和生日。著名的吉薩（Giza）金字塔群中的胡夫金字塔底座四邊的走向與羅盤東、南、西、北所指的方向平行。關於古埃及人是怎樣做到這一點的，許多研究者給出了不同的解釋。有些人認為，太陽在秋分時的位置能夠幫助埃及工程師進行精確定向。古埃及人認為，太陽是名叫""拉""（Ra）的鷹頭神靈，每天乘船在空中從東向西飛過。每天夜裡，拉都會潛入地下世界。邪惡的冥府之蛇阿波菲斯（Apophis）總是搗亂，想讓他駐足不前。只有當拉成功地通過這種嚴峻考驗，太陽才能在第二天冉冉升起。當然，他總是能夠做到。

金字塔和巨蛇也出現在世界各地有關太陽的民間故事中。回到美洲，在庫斯科西北方向4000千米外的奇琴伊察（Chichen Itza）的瑪雅（Mayan）神廟，每年吸引250多萬遊客來到墨西哥（Mexico）的尤卡坦半島（Yucatán Peninsula）。在奇琴伊察，這個建築奇境的中心是庫庫爾坎神廟（Temple of Kukulcan），也叫""庫庫爾坎城堡""（El Castillo）。這是一座階梯式金字塔，建成於900到1000年。它四面的臺階加上塔頂平臺合計365級，每級臺階準確地對應著一年中的一天。在春分與秋分這兩天，地球各地的白天與黑夜時間相等，太陽所在的位置確保了這些階梯的影子看上去就像蛇神庫庫爾坎降臨在金字塔的側面。這一景象僅僅持續45分鐘。蛇頭石雕像處於合適的位置，該位置有助於讓這一幻象栩栩如生。很明顯，瑪雅人熱心於觀察天空，該遺址中還有許多其他的廟宇是他們在專注研究天體運動後修建的。正如附近的建築__埃爾卡拉科爾（El Caraco）被人們認為是一座天文臺，因為按照它的建築方式，人們每過8年就可以沿著一道開口觀察到金星。