开普勒1607年开创性的太阳黑子草图在400年后解开了太阳之谜

1607年5月，基于约翰尼斯·开普勒用暗箱进行的太阳观测，绘制了最早的可测太阳黑子图。来源：uux.cn/Kepler，J.1609，《Sole中的Mercurius现象》，托马·舒雷里，利皮西亚。

（神秘的地球uux.cn）据名古屋大学：利用现代技术，研究人员重新检查了约翰尼斯·开普勒半遗忘的太阳黑子图，并揭示了太阳活动极小期之前隐藏的太阳周期信息。

通过重建这位伟大天文学家的观测条件，并根据现代统计数据应用斯普勒定律，由日本名古屋大学领导的一个国际合作小组测量了开普勒太阳黑子群的位置，将其置于托马斯·哈里奥特、伽利略·伽利莱和其他早期望远镜观测者后来目睹的太阳周期之前的太阳周期的末端。

该小组的发现发表在《天体物理学杂志快报》上，为解决17世纪初关于太阳周期持续时间的争议提供了关键，这与从常规太阳周期到被称为蒙德极小期（1645-1715）的大太阳极小期的过渡有关。

大太阳活动极小期是指太阳黑子活动异常延长的时期，这对于告诉研究人员太阳活动及其对地球的影响非常重要。

开普勒以其在天文学和数学方面的历史成就而闻名，在17世纪初，在最早的望远镜太阳黑子绘图之前，他制作了最早的可追溯的太阳活动仪器记录之一。他使用了一种被称为暗箱的设备，该设备由墙上的一个小孔组成，将太阳的图像投影到一张纸上，这使他能够在太阳上绘制可见的特征。

1607年5月，他记录了他错误地解释为水星凌日的现象，后来被澄清为太阳黑子群的目击。太阳黑子是太阳表面因强烈的磁活动而显得较暗的区域。它们的出现、频率和纬度分布以影响太阳辐射和空间天气的周期出现。

该研究的主要作者Hisashi Hayakawa认为，研究人员低估了这一发现的重要性。

他说：“由于这一记录不是望远镜观测，它只在科学史的背景下进行了讨论，并没有被用于17世纪太阳周期的定量分析。”。“但这是有史以来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测点和时间，并重建当时太阳表面特征的倾斜度，这幅太阳黑子图就应该能够告诉我们太阳黑子的位置，并指示1607年的太阳周期阶段。”

基于开普勒的观测，研究人员提出了太阳周期-14和-13之间的周期边界范围，如红线所示，与基于蓝色曲线（Svagaard&Schatten，2016）中的太阳黑子记录和黑色曲线（Usoskin等人，2021）和绿色曲线（Miyahara等人，2021年）中的树木环14C数据的太阳黑子（组）数量重建相比。作者的重建与有争议的说法相矛盾，即极短和极长的太阳周期（绿色）符合常规太阳周期（黑色）。图片来源：uux.cn早川久志博士

这些观测很重要，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候，也是太阳活动从正常太阳周期过渡到蒙德极小期的时候，蒙德极小值是观测史上独特的大太阳极小期。

目前还不完全清楚太阳活动模式是如何从规则周期转变为大极小期的，除了这种转变是渐进的。之前的一项基于树木年轮的重建声称，这是一个由极短的太阳周期（≈5年）和极长的太阳循环（≈16年）组成的序列，将这些异常的太阳周期持续时间与从常规太阳周期到太阳活动极小期的过渡前兆联系起来。

名古屋大学的Hisashi Hayakawa说：“如果这是真的，这确实会很有趣。然而，另一个基于树木年轮的重建表明了一系列持续时间正常的太阳周期。”。“那么，我们应该信任哪种重建？用独立的（最好是观测的）记录来检查这些重建是极其重要的。”

开普勒的太阳黑子记录是一个关键的观测参考。通过分析开普勒的记录并将其与同期数据和现代统计数据进行比较，研究人员取得了几个重要发现：

首先，在“去投影”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斑组放置在低日象纬度。这表明开普勒在他的书中绘制的著名的太阳图像示意图与开普勒的原始文本和两幅暗箱图像不一致，这两幅图像显示了太阳盘左上角的太阳黑子。

其次，通过应用斯普勒定律和从现代太阳黑子统计中获得的知识，他们确定太阳黑子群可能位于太阳周期-13的尾端，而不是太阳周期-14的开始。

第三，他们的发现与后来的望远镜观测形成了鲜明对比，后者显示了高纬度地区的太阳黑子。WDC SILSO的观察员、该团队成员托马斯·蒂格说：“这表明，根据斯普勒定律，从前一个太阳周期到下一个周期的典型过渡。”他指的是德国天文学家古斯塔夫·斯珀勒，他描述了太阳周期中太阳黑子从高纬度向低纬度的迁移。

第四，这一发现使作者能够近似计算1607年至1610年间上一个太阳活动周期（-14）和下一个太阳周期（-13）之间的转变，从而缩小了发生转变的可能日期。在此基础上，开普勒的记录表明，第13个太阳周期的持续时间是有规律的，这对提出这一时期极长周期的替代重建提出了挑战。

早川解释说：“开普勒的遗产超出了他的观测能力；它为正在进行的关于从常规太阳周期向蒙德极小期过渡的争论提供了信息，蒙德极小时期是1645年至1715年间太阳活动极度减少和半球不对称异常的时期。”。

“通过将开普勒的发现置于更广泛的太阳活动重建中，科学家们获得了解释这一关键时期太阳行为变化的关键背景，这标志着从常规太阳周期到太阳活动极小期的过渡。”

早川说：“开普勒在17世纪为天文学和物理学做出了许多历史基准，即使在太空时代也留下了他的遗产。”。

“在这里，我们补充说，开普勒的太阳黑子记录比1610年的现有望远镜太阳黑子记录早了几年。他的太阳黑子草图证明了他在技术限制下的科学敏锐和毅力。”

比利时皇家天文台的研究员Sabrina Bechet补充道：“正如我的一位同事告诉我的那样，看到历史人物的遗产记录向几个世纪后的现代科学家传达了至关重要的科学意义，这很有趣。

“我怀疑他们是否能想象到，在他们去世很久之后，他们的记录会对科学界有益。除了科学史本身，我们还可以从这些历史人物身上学到很多东西。就开普勒而言，我们站在一个科学巨人的肩上。”