她是一名業餘天文學家,卻成為歷史上最偉大的太陽觀測者之一

2021-01-19 環球科學

作者：SARAH LASKOW

翻譯：yangfz

審校：山寺小沙彌


二戰以前，在東京的某個夜晚裡，當小山久子抬頭望向天空時，她看到了一顆流星。雖然只是一個轉瞬即逝的過程，而且有的人會錯過它或者某些人很快就忘記它。但對於小山久子來說，流星划過的印象是一種激勵。即使沒有經過正式的訓練，她仍然繼續努力成為一名天文學家，而且只觀察一顆恆星——太陽，這樣的奉獻精神即使在過去的400年裡也極少人有。她每天觀察太陽黑子，並且將觀察到的用手繪製下來，這些繪製保存下來的記錄是可以說是有史以來最為嚴謹和有價值的太陽活動記錄之一，而且也是她成為與伽利略並稱為嚴謹且專注的天體觀測者。


「她那平凡但卻偉大的工作，40多年來一直被不斷地應用，可以說是非凡了，」來自科羅拉多大學博爾德分校，專注於航天工程研究的教授Delores Knipp這樣評價她，這位教授是一篇發布在新太空氣象報告關於小山久子的工作與生活的文章的主要作者。


小山於1947年4月5日繪製的20世紀規模最大的太陽黑子活動。

來源：國家自然科學博物館


在戰爭的黑夜裡，小山開始了她的觀測。當空襲警報聲響起時，她會躲在室外的一個蒲團床墊的蓋子下。在城市的燈光熄滅後，她會仰望此時的星空，然後在手電筒的微弱燈光下描繪出天上的星圖。她的父親給了她一個直徑為36mm的望遠鏡，她於1944描繪出了她的第一幅太陽黑子素描畫，並將其發送東方天文協會。（她本想觀測月球，但礙於望遠鏡的性能，她無法描繪出月球的細節）


由於她的丈夫死於戰爭中，且她受到該協會太陽能部門主席的鼓舞，小山於1946年開始在東京科學博物館（現稱為國家自然科學博物館）使用直徑為20cm的折射望遠鏡記錄太陽活動。把太陽的圖像投射到一張紙上，她注意到太陽的表面上點綴著黑色的太陽黑子。她很快就成了博物館的工作人員，在接下來的四十年中，每周她都花幾小時觀測太陽，當雲層沒有遮蔽視線的時候，她就會觀測太陽並描繪出一些點。


小山的畫優雅且細節清晰。Knipp說：「太陽黑子的核心非常黑。圍繞著那些顏色比較淺的纖維，就像有一些等離子體線將這些太陽黑子的核心連接到其他區域。在很多情況下，她都能捕捉到這些特徵。」當然，最有價值的還是她作品的連貫性。


1973年從太空中捕獲的太陽耀斑

來源：NASA


太陽黑子是太陽磁場的產物。它們所在的位置是磁場活動減弱了熱量傳遞的地方，太陽表面的溫度已經從5780K減弱到3000~4000K。經過大約11年的漫長周期，這些斑點在不同的緯度有著不同的濃度，慢慢的接近太陽的極點，並向赤道行進。記錄這些黑點的出現和消失需要觀測者的一些判斷。太陽黑子一般以成群的黑點出現，這些黑點表示的是磁場最強的區域，往往被半影包圍著。每個觀測者都有自己的計算黑點和星團的方法，特別是隨著技術的發展，望遠鏡可以觀測到太陽表面更加微小的細節。比如，運用17世紀的技術觀測到的黑點，用20世紀的技術觀測，你會發現那些黑點其實是黑點群。


小山的偉大成就來自於她的觀察結果的可靠性。40多年來，她創造了超過10,000幅關於太陽變化的圖畫。在這些所有的記錄裡，她始終遵循同樣的標準進行計數，並在地球上的同一地點觀察採集數據，這些圖畫裡大多數甚至是用同一臺望遠鏡輔助創作的。她的這些記錄如此全面，以至於她能手工繪製出太陽黑子運動時留下的形似蝴蝶的軌跡。她的代表作，三隻半蝴蝶，就是幾十年來太陽黑子運動觀察到的數據。


1960年11月15日由小山繪製的太陽黑子。

來源：國家自然科學博物館


想看到太陽黑子，人們必須尋找到它的藏身之處，並用一個可以遮擋太陽耀眼光芒的鏡頭來揭示隱藏在此處的東西。即使它們對地球有影響，我們大多數人不會在尋找太陽黑子上花很多時間，很多人甚至都不關心。小山的同事們覺得她所完成的工作十分重要，於是鼓勵她出版著作，於是乎就有了1985年出版的《1947-1984太陽黑子觀察》。但即使在天文學領域，這樣的成就似乎沒有什麼值得慶祝的。2015年，當Knipp第一次在幻燈片上看到這些圖片時，她驚呆了。她從來沒有見過這樣的照片，這些來自於一個女太陽觀察員畫的太陽黑子。 「我怎麼能不知道呢？」她想。怎麼會是這樣的驚喜呢？


屏幕上出現的那些一閃而過的圖片給她留下的印象並非是稍縱即逝的，這些圖片反而讓Knipp慢慢拼湊出小山這一生的記錄。她詢問她的日本同事關於這張圖片的作者信息，然而只有一位退休的科學家（為數不多的一位地球科學學院的女科學家）知道小山的信息。在空間天氣報的合作者劉惠新和Hisashi Hayakawa的幫助下，Knipp開始收集研究，她發現，她可以更加清楚的描述關於小山的故事。太陽黑子的觀測地點在Knipp聯合任命的一個圖書館，而小山在業餘天文學期刊中發表的文章留下了線索。Knipp和她的同事將這些線索組織在一起，勾勒出一幅關於小山一生的更完整的畫面。


1973年6月10日的太陽爆發，在天空實驗室2任務期間獲得的一個光譜圖

來源：NASA


因為小山是一個業餘的天文學家，沒有高等學位或者推動天文學理論的工作，所以在天文學界，小山的觀測記錄要比其他人少得多。Knipp說：「正常情況下，我們發現女性的聲譽不如男性，這可能使當時的情況更加惡化。當你把種種因素考慮進去後，你會發現，雖然她已經去世20年，這段歷史是慘澹的光芒。」


越熟悉小山的作品的人，就會對這些作品越發欽佩。她的一個天文協會的同事於20世紀70年代寫到：「她是一個非常有名的太陽黑子觀測者。」2001年，國家自然科學博物館已經將她的黑子圖畫數位化，並上傳到網上供天文愛好者下載。最近，一支致力於重建和規範1610年至今的太陽黑子記錄的科學家小組選擇了她的觀察結果作為他們工作的主幹之一，這些工作是一個人在儘可能長的一段時間內做出的高質量的工作，甚至可以作為規範來衡量其他人的觀測結果。上文中提到的幻燈片的製作者就是這個小組中的一員。Knipp說：「他將小山的名字與伽利略、海因裡希·施瓦貝等為太陽黑子的觀測活動做出巨大貢獻的人放在一起。」這是她覺得小山應該值得科學界的認可的一個跡象。


當我們睜大眼睛觀察這個世界，觀察一顆流星，發現一個長期被忽視的女人時，我們也許會受到一些啟示。正如小山在她的第一篇文章中寫到的那樣：「每當我想到自然界不知道何時會給我們帶來不尋常的事物時，我就無法停止觀測。」


原文連結：

https://www.atlasobscura.com/articles/sunspots-japanese-amateur-astronomer-sun-science


本文轉載自公眾號「中科院物理所」（ID：cas-iop）

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