【神奇天象】古人是如何認(rèn)識“太陽黑子”的？

太陽黑子是太陽表面溫度較低的區(qū)域，在太陽活動比較頻繁的年份，會出現(xiàn)太陽黑子，甚至出現(xiàn)黑子群。這是由于太陽磁場強度比地球高了上一萬倍，強磁場能夠抑制太陽內(nèi)部能量通過對流的方式向外傳遞。因此，當(dāng)強磁場浮現(xiàn)到太陽表面時，該區(qū)域的背景溫度就會緩慢下降，從而使該區(qū)域出現(xiàn)暗點，即太陽黑子。人們在早晨或傍晚，當(dāng)太陽光度減弱時，使用肉眼就可見觀測到這種現(xiàn)象。

中國的歷史文獻中曾使用不同的術(shù)語來描述太陽上的暗斑，如“卵”、“桃”、“李”、“烏”等，雖然了解它們的確切含義并不容易。不過，據(jù)不完全的統(tǒng)計，中國從漢代至明代的一千六百余年中，有關(guān)黑子的記載多達100余次，這卻是沒有任何爭議的。上百次的記載，這可能看起來數(shù)量并不少，但它只是實際觀測的一小部分。由于太陽周期性的活動，太陽的表面經(jīng)常會出現(xiàn)斑點，所以太陽黑子是一種常見的天文現(xiàn)象。在中國古代文獻中，并沒有明確提到觀測太陽黑子所用的方法。一般認(rèn)為，最簡單的方法是在有薄霧或者發(fā)生日食的時候進行觀測。此外，也可以在水盆中加入墨汁，通過太陽在盆中的影子來觀察。

這樣的觀察方式，以及肉眼對黑子的感知程度，都會顯著地降低黑子被觀測到的可能性。在觀測條件良好的情況下，人眼可以分辨出大小為1角分的斑點，這大約是太陽直徑的三十分之一。但是，即使考慮到觀測中面臨的各種限制，中國古人所觀測到黑子的數(shù)量仍然很低?？梢源笾鹿烙?，在所有可以觀察到的太陽黑子中，這充其量只占到0.1%。所以有可能的解釋是，與彗星和客星的觀測不同，中國古代對太陽黑子的觀測并不是系統(tǒng)的。一些研究表明，太陽黑子的記錄更多的出現(xiàn)在每個月的月初。月初意味著朔日附近，也就是可能有日食發(fā)生的時候，在這期間太陽更容易被人們所關(guān)注。特別是，這一時期人們更關(guān)注于通過觀測太陽，來確定是否發(fā)生日偏食，以及判斷日食的食分大小，也正是在這些關(guān)鍵性的時刻，才促使人們更加注意太陽黑子的出現(xiàn)。

當(dāng)然，太陽黑子的觀測頻率可能也與帝王的關(guān)注程度有關(guān)。如明初是太陽黑子頻發(fā)的時期，這就曾引起朱元璋的格外關(guān)注和警覺。在各種異常天象中，朱元璋對“日中有黑子”即太陽黑子現(xiàn)象可以說是最為關(guān)注的，甚至對此惶恐不已。太陽通常明盛而耀眼，使人不能逼視，因此在古代太陽象征著君王的權(quán)勢不可窺測。一旦太陽的本體光度減低時，就意味著災(zāi)害的產(chǎn)生。雖然日食也會產(chǎn)生“日無光”或“日晝昏”的現(xiàn)象，但日食發(fā)生的時間往往較短，況且明初的大統(tǒng)歷對日食的預(yù)測已經(jīng)達到比較精確得水平，所以在明代除了出現(xiàn)大食分的日食，或者日食出現(xiàn)在正月或四月即“日食正旦”、“日食正陽之月”之外，一般發(fā)生日食只會按例救護，并不會引起過多的恐慌。

然而，太陽黑子則不同，由于持續(xù)時間一般較長，并且在當(dāng)時無法事先預(yù)知，加上明朝初期恰巧又是太陽黑子頻發(fā)的時期，所以才引起了朱元璋的格外關(guān)注和警覺。據(jù)統(tǒng)計，《明實錄》中的記載的明代“日中有黑子”記錄共有24條，朱元璋時期就高達21條。另據(jù)《明太祖實錄》記載，洪武三年（1370年）正月初七，朱元璋諭中書省參政陳亮、侯至善：“司天臺言朔日以來日中有黑子，其占多端，朕觀存心錄，以為祭天不順?biāo)拢窠級瘡撵攵Y文太簡，宜命禮部太常司詳擬圜丘、方丘，增以十二月將旗纛之神”。該年的十一月十九日，朱元璋又因為郊祀時間臨近，但日中卻累有黑子，再次諭輔臣：“朕于天地之祀，夙夜祗惕，凡執(zhí)事群臣皆當(dāng)慎之，有刑過、喪服及體氣瘡瘍者，勿令與祭”。隨后十二月二十七日，日中依然屢有黑子，朱元璋只得下詔讓廷臣諫言評價其施政得失。但太陽黑子在洪武四年（1371年）依然頻發(fā)，朱元璋甚至不得不親自寫信向當(dāng)時已經(jīng)致仕的劉基詢問：“日中黑子又見三年，今秋天鳴震動，日中黑子或二、或三、或一，日日有之，更不知災(zāi)禍自何年月日至，卿山中或有深知歷數(shù)者、知休咎者，與之共論封來”。

雖然中國古代對太陽黑子觀測的次數(shù)并不算太多，但這卻是中國古代天文學(xué)中最具代表性的發(fā)現(xiàn)之一，并在相當(dāng)長的歷史時期內(nèi)在全世界都是遙遙領(lǐng)先的。因為在歐洲，直到九世紀(jì)才有疑似為太陽黑子的記錄留存下來。

1612年6月23日，伽利略使用了望遠(yuǎn)鏡成功地區(qū)分出了兩組太陽黑子的位置，此后歐洲人便將太陽黑子的發(fā)現(xiàn)歸功于他。事實上，英國人托馬斯·哈里奧特（Thomas Harriot，約1560-1621）和荷蘭人若阿內(nèi)斯·法布里奇烏斯（Johann Goldsmid，拉丁名為Johannes Fabricius，1587-1616年）也分別聲稱在此前的1610年和1611年就已經(jīng)觀測到太陽黑子。1612年，德國的克里斯多夫·沙伊納（Christophe Scheiner，1573-1650）也緊隨其后發(fā)現(xiàn)太陽黑子。不過，歐洲人一直在焦慮的氛圍中回避著這一發(fā)現(xiàn)。因為人們很難接受這一事實，即太陽作為最重要的恒星，并不是像《圣經(jīng)》所宣稱的那樣完美和永恒不變，他們也一直認(rèn)為根本就不存在什么太陽黑子。所以，即便伽利略在使用望遠(yuǎn)鏡觀測到太陽黑子后，仍舊有人認(rèn)為黑子只是行星凌日造成的。

太陽黑子

2017年9月國際空間站凌日，位于兩處太陽黑子之間

太陽與人們的生活息息相關(guān)，我們的先民就曾長期認(rèn)真地關(guān)注和觀察太陽。早在大汶口文化時期，人們就已經(jīng)在陶器上刻劃有太陽的形象，中國古代的史料對太陽黑子的記錄很多都比較詳實，如《漢書·五行志》記載有：“河平元年，三月乙未，日出黃，有黑氣大如錢，居日中”，這一內(nèi)容不但記錄黑子出現(xiàn)的日期，還說明了黑子的大小、形狀和位置，而這也是目前已知世界最早的太陽黑子記錄，因此具有十分珍貴的史料價值。

大汶口陶尊上的太陽

此外，中國古代對太陽黑子的形狀基本上都有比較形象地描述，這可能與當(dāng)時對太陽黑子的分類思想有關(guān)。其中大體可以分為三類：第一類為圓形，有如環(huán)、如桃、如李、如錢等；第二類為橢圓形，有如雞卵、如鴨卵、如棗等；第三類為不規(guī)則形，有如飛鵲、如飛燕、如人等。有學(xué)者認(rèn)為，第一類可能是剛出現(xiàn)的黑子，第二類可能是雙極黑子，第三類顯然就是太陽黑子群，這些類型實際上代表了太陽黑子產(chǎn)生，發(fā)展和消失過程中的不同形態(tài)，即最初出現(xiàn)僅為一個小的圓形黑點，然后黑點逐漸增大，以致于分裂成兩個大黑子，并隨黑子逐漸分裂形成黑子群。明史《明史·天文志》記載有“天啟四年（1624年）正月癸未，日赤無光，有黑子二，三蕩于旁，漸至百許，凡四日”，這有可能反映就是太陽黑子分裂的現(xiàn)象。

《玉歷占》黑子若氣占

古人對于太陽黑子的本質(zhì)也曾有過有趣的爭論，西漢時期《淮南子》一書認(rèn)為黑子是“日中有三足烏”，即“日中有踆[cūn]烏”。東漢時期的王充在其《論衡》中認(rèn)為駁斥道：“夫日者，天之火也，……天火之中，何故有烏？火中無生物，生物入火中，焦?fàn)€而死焉，烏安得立？”，他還明確地指出“黑子是日氣也”，日氣則是是一種火，這樣的認(rèn)識在當(dāng)時也是難能可貴的。

在中國古代對太陽黑子的記錄，為現(xiàn)代天文學(xué)也提供了不少非常寶貴的科學(xué)證據(jù)。首先，可以證實自十七世紀(jì)以來的太陽的這些活動，是長期存在的，不是近期才發(fā)生的現(xiàn)象。其次，太陽黑子的數(shù)量也是有著一定的變化規(guī)律，這至少也是得益于中國古人的早期觀測結(jié)果。到了十九世紀(jì)，人們發(fā)現(xiàn)太陽黑子的出現(xiàn)是有周期性的，其中包括就有大家熟悉的11年短周期，這與太陽的活動緊密相關(guān)。而通過太陽黑子的歷史記錄，我們就可以了解太陽活動更長期的影響，如16至17世紀(jì)的太陽黑子極小期內(nèi)，就發(fā)生了幾千年以來氣溫最低的“小冰期”。例如，大約是從1645年至1715年的“蒙德極小期”內(nèi)，太陽黑子就非常罕見，天文學(xué)家愛德華·沃爾特·蒙德（1851-1928年）在研究那段時期的觀測記錄時發(fā)現(xiàn)，在蒙德極小期當(dāng)中的一段30年時間里，天文學(xué)家只觀察到約50個太陽黑子，而在平?？梢杂^察到多達4萬至5萬個太陽黑子。由于此時也恰好是地球的小冰期，由于這個不正常的時期與小冰川期有著驚人的聯(lián)系，有觀點認(rèn)為兩者可能存在一定的關(guān)聯(lián)，這也表明了太陽活動在氣候變化中的影響。

另外，雖然中國古代對太陽黑子的觀測是零碎的，但是基于這些文獻材料，1987年哥廷根大學(xué)的惠特曼和南京天文臺徐振韜通過研究表明，在過去的兩千多年中，太陽活動的平均周期為11年，但它的持續(xù)時間可以是從9.9年到12.3年不等。此外，太陽活動可能同時還存在一個220至250年的長周期，但其原理至今尚不清楚。