导读 研究人员利用现代技术重新审视了约翰尼斯·开普勒半被遗忘的太阳黑子图画，并揭示了有关太阳活动极小期之前太阳周期的隐藏信息。由日本名古...

研究人员利用现代技术重新审视了约翰尼斯·开普勒半被遗忘的太阳黑子图画，并揭示了有关太阳活动极小期之前太阳周期的隐藏信息。

由日本名古屋大学领导的一个国际合作小组通过重现这位伟大天文学家的观测条件并根据现代统计学应用史波勒定律，测量了开普勒太阳黑子群的位置，将其置于太阳周期的尾端，早于托马斯·哈里奥特、伽利略·伽利莱和其他早期望远镜观测者后来见证的周期。

研究小组的研究结果发表在《天体物理学杂志快报》上，为解决17世纪初太阳周期持续时间的争议提供了关键，该周期与从常规太阳周期到太阳活动极小期的过渡有关，也被称为蒙德极小期(1645-1715年)。

太阳活动极小期是指太阳黑子活动异常低的一段持续时间，这对于研究人员了解太阳活动及其对地球的影响具有重要意义。

开普勒的重要观测

开普勒因其在天文学和数学方面的历史成就而闻名，他在17世纪早期记录了最早的太阳活动，比最早的望远镜太阳黑子图早得多。他使用了一种称为暗箱的装置，该装置由墙上的一个小孔组成，将太阳的图像投射到一张纸上，这样他就可以勾勒出太阳上可见的特征。

1607年5月，他记录了一次被误认为是水星凌日的现象，后来澄清为太阳黑子群目击事件。太阳黑子是太阳表面因强烈磁场活动而显得较暗的区域。它们的出现、频率和纬度分布以周期性出现，影响太阳辐射和太空天气。

该研究的主要作者HisashiHayakawa认为，研究人员低估了这一发现的意义。

“由于这一记录并非望远镜观测所得，因此它仅在科学史的背景下被讨论，并未用于17世纪太阳周期的定量分析，”他说。“但这是迄今为止用仪器观测和投影绘制的最古老的太阳黑子草图。”

他继续说道：“我们意识到，只要我们设法缩小观察点和时间，并重建当时的日光坐标倾斜度(即太阳表面特征的位置)，这个太阳黑子图就应该能够告诉我们太阳黑子的位置，并指示出1607年的太阳周期阶段。”

根据开普勒的观测，研究人员提出了红线所示的太阳周期-14和-13之间的周期边界范围，与基于太阳黑子记录的太阳黑子(组)数量重建结果(蓝色曲线，Svalgaard&Schatten，2016年)和树木年轮14C数据(黑色曲线，Usoskin等人，2021年)和绿色曲线(Miyahara等人，2021年)相比。作者的重建结果与极短和极长的太阳周期(绿色)这一有争议的说法相矛盾，并符合常规太阳周期(黑色)。图片来源：HisashiHayakawa博士

17世纪：天文学的关键时期

这些观测非常重要，因为17世纪是太阳周期的关键时期，不仅是太阳黑子观测刚刚开始的时期，也是太阳活动从正常太阳周期过渡到蒙德极小期的时期，这是观测历史上独特的太阳活动极小期。

目前还不清楚太阳活动模式是如何从常规周期转变为太阳活动极小期的，只知道这种转变是渐进的。之前基于树木年轮的重建之一声称，太阳活动序列由一个极短的太阳周期(约5年)和一个极长的太阳周期(约16年)组成，这些异常的太阳周期持续时间与从常规太阳周期转变为太阳活动极小期的前兆有关。

名古屋大学的HisashiHayakawa表示：“如果这是真的，那确实很有趣。然而，另一项基于树木年轮的重建表明，太阳周期序列的持续时间正常。那么，我们应该相信哪一项重建?用独立的(最好是观察性的)记录来检查这些重建非常重要。”

四个主要发现

开普勒的太阳黑子记录是一个重要的观测参考。通过分析开普勒的记录并将其与同时期的数据和现代统计数据进行比较，研究人员有了几项重要发现：

首先，在“反投影”开普勒的太阳黑子图并补偿太阳位置角后，他们将开普勒的太阳黑子群置于较低的日纬度。这表明开普勒在书中绘制的著名太阳图像示意图与开普勒的原文和两张暗箱图像不一致，后者显示太阳黑子位于太阳面左上部分。

2024年5月11日肉眼可见的太阳黑子群，由本文作者之一ETHTeague拍摄。图片来源：ETHTeague

其次，他们运用斯波勒定律以及现代太阳黑子统计知识，确定该太阳黑子群可能位于第13个太阳周期的尾端，而不是第14个太阳周期的开始。

第三，他们的发现与后来的望远镜观测结果形成对比，后者显示太阳黑子出现在高纬度地区。“这表明，根据斯波勒定律，前一个太阳周期向下一个太阳周期过渡是典型的，”WDCSILSO观察员、团队成员托马斯·蒂格(ThomasTeague)表示，他指的是德国天文学家古斯塔夫·斯波勒(GustavSpörer)，他描述了太阳黑子在太阳周期中从高纬度向低纬度迁移的情况。

第四，这一发现使作者能够估算出1607年至1610年间上一个太阳周期(-14)和下一个太阳周期(-13)之间的过渡，从而缩小了可能发生的日期。在此基础上，开普勒的记录表明第13个太阳周期持续时间规律，这对其他重建方法提出了挑战，这些重建方法认为这一时期的周期非常长。

开普勒的遗产

Hayakawa解释说：“开普勒的遗产不仅限于他的观测能力;它还为关于从常规太阳周期到蒙德极小期的过渡的持续争论提供了信息。蒙德极小期是1645年至1715年间太阳活动极度减少和半球异常不对称的时期。”

“通过将开普勒的发现置于更广泛的太阳活动重建中，科学家们获得了关键的背景信息，可以解释这一标志着从常规太阳周期向太阳活动极小期过渡的关键时期太阳行为的变化。”

早川说：“开普勒在17世纪天文学和物理学领域贡献了许多历史性的里程碑，甚至在太空时代也留下了他的遗产。”

“在此，我们进一步指出，开普勒的太阳黑子记录比现有的1610年望远镜太阳黑子记录早了好几年。他的太阳黑子素描证明了他在技术限制面前的科学敏锐性和毅力。”

比利时皇家天文台研究员萨布丽娜·贝切特补充道：“正如我的一位同事告诉我的那样，历史人物的遗产记录甚至在几个世纪后仍向现代科学家传达重要的科学意义，这真是令人着迷。

“我怀疑他们是否能想到，他们的记录会在他们去世后很久才造福科学界。除了科学史本身，我们还有很多东西要从这些历史人物身上学习。就开普勒而言，我们站在科学巨人的肩膀上。”