研究人員利用現代技術重新研究了約翰內斯-開普勒（Johannes Kepler）被遺忘了一半的太陽黑子圖，揭示了大太陽黑子最低點之前的太陽週期的隱藏訊息。日本名古屋大學領導的國際合作小組透過重現這位偉大天文學家的觀測條件，並根據現代統計學應用斯波勒定律，測量了開普勒太陽黑子群的位置，將其置於托馬斯-哈里奧特、伽利略-伽利萊和其他早期望遠鏡觀測者後來目睹的太陽週期之前的太陽週期尾端。

根據開普勒（Johannes Kepler）1607 年5 月用暗箱照相機觀測太陽繪製的最早的太陽黑子圖。資料來源：開普勒，J. 1609，Phaenomenon singulare seu Mercurius in Sole, Thomae Schureri, Lipisiae

該研究小組的研究結果發表在《天文物理學雜誌快報》上，為解決有關17世紀初太陽週期持續時間的爭議提供了一把鑰匙。大太陽極小期是一段異常延長的低太陽黑子活動期，對於研究人員了解太陽活動及其對地球的影響非常重要。

根據開普勒的觀測結果，研究人員提出了太陽週期-14和-13之間的週期邊界範圍（如紅線所示），並與基於太陽黑子記錄的太陽黑子（群）數量重建結果進行了比較（藍色曲線（Svalgaard & Schatten，2016年）和週期14C資料重建結果（黑色曲線（Usoskin等人，2021年）和綠色曲線（Miyahara等人，2021年））。作者的重建與極短和極長太陽週期（綠色）的爭議性說法相矛盾，而符合規律的太陽週期（黑色）。

開普勒因其在天文學和數學方面的歷史性成就而聞名於世，他在最早的太陽黑子望遠鏡繪圖之前，於17 世紀初用儀器記錄了太陽活動的最早日期。他使用一種被稱為”暗箱照相機”的儀器，在牆上開一個小孔，將太陽的圖像投射到一張紙上，從而勾勒出太陽的可見特徵。

1607 年5 月，他記錄下了被誤認為是水星凌日的景象，後來被證實是太陽黑子群觀測。太陽黑子是太陽表面因強烈磁性活動而顯得較暗的區域。它們的出現、頻率和緯度分佈呈現週期性變化，影響太陽輻射和太空天氣。

研究的主要作者早川久認為，研究人員沒有充分認識到這項發現的重要性。他說：”由於這一記錄並非望遠鏡觀測，因此只在科學史的背景下被討論過，並沒有被用於對17世紀的太陽週期進行定量分析。但這是有史以​​來用儀器觀測和投影繪製的最古老的太陽黑子草圖 我們意識到，只要我們設法縮小觀測點和時間範圍，並重建當時太陽地理座標的傾斜度，即太陽表面特徵的位置，這幅太陽黑子圖就應該能夠告訴我們太陽黑子的位置，並指出1607年的太陽週期階段。

本文作者之一ETH Teague 於2024 年5 月11 日拍攝的裸眼太陽黑子群。圖片來源：©︎ ETH Teague

17世紀太陽活動的重要啟示

這些觀測數據之所以重要，是因為17 世紀是太陽週期的關鍵時期，不僅是太陽黑子觀測剛開始的時期，也是太陽活動從正常太陽週期過渡到”毛德極小期”（觀測史上獨一無二的太陽極小期）的時期。

目前還不完全清楚太陽活動的模式是如何從規律的周期轉變為大極值的，只知道這種轉變是漸進的。先前的一種基於年輪的重建方法聲稱，太陽活動週期序列包括一個極短的太陽活動週期（≈ 5 年）和一個極長的太陽活動週期（≈ 16 年），並將這些異常的太陽活動週期持續時間與從常規太陽活動週期過渡到太陽活動大極小期的前兆連結起來。

名古屋大學的Hisashi Hayawa說：「如果這是真的，那確實很有趣。那麼，我們應該相信哪一種重建呢？用獨立的記錄–最好是觀測記錄–來檢驗這些重建是極其重要的。

解密歷史上的太陽週期

開普勒的太陽黑子記錄是一個重要的觀測參考。透過分析開普勒的記錄，並將其與同時代的數據和現代統計進行比較，研究人員有了幾個重要發現：

首先，在對開普勒的太陽黑子圖進行”投影”並對太陽位置角進行補償後，他們將開普勒的太陽黑子群置於較低的日照緯度上。這顯示開普勒在書中繪製的著名的太陽影像示意圖與開普勒的原文和兩幅暗箱影像不一致，後者顯示太陽黑子位於太陽圓盤的左上方。

其次，透過應用斯波勒定律和從現代太陽黑子統計中獲得的知識，他們確定該太陽黑子群可能位於太陽週期-13 的尾端，而不是太陽週期-14 的開始。

第三，他們的發現與後來的望遠鏡觀測結果形成鮮明對比，後者顯示太陽黑子出現在較高緯度地區。研究小組成員、WDC SILSO 觀察員托馬斯-蒂格（Thomas Teague）說：”這顯示了從上一個太陽週期到下一個太陽週期的典型過渡，符合斯波勒定律，”這裡指的是德國天文學家古斯塔夫-斯波勒（Gustav Spörer），他描述了太陽黑子在太陽週期中從高緯度向低緯度遷移的現象。

第四，這項發現使作者能夠近似地推測出1607年至1610年間上一個太陽週期（-14）和下一個太陽週期（-13）之間的過渡，從而縮小了太陽週期發生的可能日期。在此基礎上，開普勒的記錄顯示太陽週期-13的持續時間是有規律的，這就對在此期間太陽週期極長的其他重建方法提出了挑戰。

繼承開普勒的遺產

早川解釋說：「開普勒的遺產不僅僅是他的觀測能力，它還為目前關於從常規太陽週期向莫德極小期過渡的爭論提供了信息，莫德極小期是1645年至1715年間太陽活動極度減少和半球異常不對稱的時期。標誌著從常規太陽週期向大太陽極小期的過渡。

「開普勒在17世紀為天文學和物理學貢獻了許多歷史基準，甚至在太空時代也留下了他的遺產。在這裡，我們進一步證明了開普勒的太陽黑子記錄比現有的1610年望遠鏡太陽黑子記錄還要早幾年。

比利時皇家天文台研究員薩布麗娜-貝謝特（Sabrina Bechet）補充說：”正如我的一位同事告訴我的那樣，看到歷史人物的遺留記錄在幾個世紀後仍能向現代科學家傳遞重要的科學意義，這真是令人著迷。身上學到很多東西。

編譯自/ ScitechDaily