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2017-12-18

18世纪日本的太阳黑子望远镜观测

归档于: 天文空间科学, 史海钩沉 @ 7:33 pm

这些年来,论文预印本文库arXiv.org上不时可见日本京都大学文学部的早川尚志、国文学研究资料馆的岩桥清美,以及京都大学花山天文台的玉泽春史和柴田一成等人合作的天文史(特别是太阳活动史)论述,之前在站里提到过的卡林顿磁暴引发东亚极光是其中之一。上月同一批作者又再度发表新作,这次是从史料中挖掘出了18世纪末日本本土的太阳黑子望远镜观测记录

在所有现代意义上的科学实验中,太阳黑子计数堪称最持久的一个,从17世纪初伽利略第一次将望远镜瞄准太阳以来,持续时间已经超过了400年。这些观测记录(尤其是黑子描图以及更晚近的摄影资料)最终让人意识到了太阳11年活动周期的存在,以及这种周期与磁场行为的内在联系。今天的多学科交叉研究还经常会将太阳黑子的多寡与地球上的天气演变相结合,如经常有人将蒙德极小期同地球在此前后遭遇的小冰期联系起来。

伽利略在1613年留下的太阳黑子手绘图。(图片提供:Universal History Archive/UIG/Bridgeman Art Libr.)

近代之前,使用望远镜来观测太阳自然以欧洲为主,来自美洲的记录近些年来也有人在陆续整理中。整个亚洲地区虽然都存在着悠久的观天传统,但20世纪之前还大抵局限于目视观测。先前曾有学者从典籍中还原出了日本第一架反射式望远镜的制造者兼枪械制造师国友一贯斋在1835-1836年间持续记录下的太阳黑子演变,此番的这篇论文则将东亚黑子望远镜观测的时间再度前推到了1793年。挖掘这些来自欧洲之外的资料,其意义在于帮助拼凑出更完整的太阳活动史——在黑子计数尚未成为全球范围内太阳研究者的例行公事之前,同一地的记录往往不够连贯,不足以说明黑子的实际演变。更且早川尚志等人新考证的这些记录是在1793年留下的,此时正处在1790到1830的道尔顿(Dalton)极小期当中,更有助于人们认识当时太阳活动的真实强度。

道尔顿极小期的持续时间。(图片来源:Wikipedia

望远镜进入日本的历史可以追溯到1613年,那时造访日本长崎平户城的英国海军舰长John Saris向德川家康赠送了望远镜作为礼物。随后不久,日本还出现了最早的国产望远镜以及望远镜观测记载。但受时局变动的制约,望远镜在日本的使用几起几落。直到18世纪德川幕府第8代将军吉宗当政并发起享保改革,学习西学的禁令被解出,将军本人还带头在江户城中架起望远镜望天,民间开展望远镜观测的情况才得以缓解。

日本现存最古老的望远镜,为初代尾张藩主德川义直所用。(图片来源:四国新闻社

这次的故事主角——岩桥善兵卫就是在西洋天文学全面进入日本之后出现的本土望远镜制作者之一。他出身商人家庭,后来独立开业从事眼镜制作,最终出于对自然科学的兴趣开始从事天体工作,并于18世纪90年代第一次制成了望远镜。后来他的产品得到了多位学者和大名的青睐,商人伊能忠敬甚至还借此测绘了日本最早的近代地图。其后人也以望远镜制作为业,延续了4代之久。

岩桥善兵卫制作的望远镜现存共计18台,上图是其中的一部分。(图片来源:The History of the Telescope & the Binocular

1793年8月26日,当时的知名儒医橘南谿使用岩桥善兵卫制作的望远镜,在京都南部伏见地区的家中组织了一次观星活动。活动的参与者共有12人,背景各异,岩桥也位列其中。期间他们共同观测了太阳、月球以及金星、木星和土星,其情况记于《望远镜观诸曜记》、《闲田次笔》、《平天仪图解》等个人笔记和著述中。

活动中使用的望远镜名叫“窥天镜”,这是一架长2.5米、直径约8厘米的八角形折射式望远镜。上述记录都没有描述观测期间使用了何种滤镜来确保参与者的安全,不过据推测,很可能他们使用了18世纪中叶由荷兰人引入日本的“zonglas”(意为太阳镜),也就是早期的太阳观测用减光镜。

岩桥善兵卫制作的窥天镜。(图片来源:Hayakawa et al. 2017

橘南谿的《望远镜观诸曜记》附有对太阳黑子的古汉语描述,中国人完全可以不加注释地看懂:“观曰,四边有气如毛,气皆左旋,日面有黑点五,大小不一,善兵卫言,黑点历十余日,径日面,若冬春之际,则黑点最多,又或见梵字形者,其色亦真黑,不能辫其何物。”文中的黑点自然就是指太阳黑子。这段话不仅描述了当时黑子的数量、大小,还说明了黑子的持续时间,以及日面边缘的其他特征(难道是指日冕?)。当时在场的和歌作家伴蒿蹊在随笔《闲田次笔》中也留下了类似的记载。此外,这两部作品都附上了相似的黑子图(题为日真象),可以认为是当时观日者眼中的真实所见。

《望远镜观诸曜记》3个版本中的日真象图,分藏日本国立天文台、津城图书馆以及国际日本文化研究所。可见3份档案中描绘的太阳黑子数量和位置几乎相同,两组分别位于日面右上方与左下方,只有最后一个版本在日面下方偏右处多出了一个小黑点。(图片来源:Hayakawa et al. 2017

而岩桥善兵卫的《平天仪图解》本来是为解释作者研发的平天仪(用于计算日月以及二十八宿运动的仪器)原理和使用而作,兼有各个天体的介绍,较前述两部私人笔记而言,内容更偏理论化。其对太阳黑子的描述看上去也不仅限于观测活动当天所见,而更接近综述——除了色黑、大小不一、形似龙或虫之外,更记下了黑子自东向西在日面运动了14-15日方才消失的现象;而所附“太阳图”也与《望远镜观诸曜记》和《闲田次笔》存在明显不同,应该不是在同一日所绘。

《闲田次笔》(左)与《平天仪图解》(右)记录下的太阳黑子图,可见前者与《望远镜观诸曜记》相近,但与后者截然不同。所谓“或见梵字形者”,可能就是指右图的这种情况。(图片来源:Hayakawa et al. 2017

现在我们知道,太阳存在较差自转,从赤道到两极,每转一周耗时24.5-38天不等。岩桥善兵卫笔下的黑子运动,正是太阳自转的反应。但是他所说的“若冬春之际,则黑点最多”显然不是常态,而只是太阳活动起伏的反映——毕竟1793年处在第4个太阳活动周的衰减期,当年冬春季节的黑子数量很可能较8月为多;冬季的大气条件也普遍较夏天更适宜天文观测。只是当时东方的学者并没有这方面的意识,误将个例当作普遍现象。

橘南谿组织的观测活动日期是有明确记载的,其与伴蒿蹊的观日笔记相应的时间应该可以确定,因此可以用于分析当时的太阳黑子数量。但我们能否根据已有信息,定出《平天仪图解》中太阳图最初的绘制时间?因为橘南谿提到“或见梵字形者”,而这幅图中的黑子形态与梵语字母确有类似之处,由此可以推理,太阳图描绘的是此次活动之前的情况。而且又考虑“若冬春之际,则黑点最多”,图中黑子数量的确多于两部笔记,大胆一点的话,或许可以将其视作1793年初的记录。但更确切的观测时间是无从得知了,甚至该图系岩桥善兵卫长时间的观测总结也说不定。

需要指出的是,同期欧洲记录下的太阳黑子数量明显要比橘南谿等人为少,只有Basel的Huber在当年5月58日记录下了6个黑子,而其他人在8月只看到了区区一个黑子,甚至是空手而归。而且这些仅有的记录信息缺乏,无法与日本的这些绘图进行有效比较。而在此前后亚洲究竟还有多少黑子观测有待挖掘,也仍旧是不确定的。

其实在岩桥善兵卫自行制作望远镜的时候,西洋科学仪器也已批量传入了中国。徐光启早在17世纪就制成了望远镜,并将其用于日食观测和军用。那么在中国的古书中是否也存在类似的望远镜太阳观测记录?至少到现在为止,个人还未见系统的整理挖掘,这可能会为今后的天文史研究带来新的话题。

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