在19世纪末20世纪初，美国科学家乔治·埃勒里·海尔（George Ellery Hale）的研究使人们对太阳黑子的认识取得了重要的进展。海尔于1868年出生于芝加哥的一个工程师家庭，曾在麻省理工学院学习（海尔的父亲是设计电梯的工程师，埃菲尔铁塔上的电梯就出自他父亲之手）。1889年，还是学生的海尔开发出一种新型太阳观测仪器，叫作“太阳单色光照相仪”（spectroheliograph），到现在仍然是观测太阳的主要工具之一。实际上，图4的太阳黑子图像就是由太阳单色光照相仪拍摄的。几年之后，海尔回到芝加哥，负责监督叶凯士天文台（Yerkes Observatory）的建设，该天文台包括当时最大的折射望远镜（折射望远镜使用的是透镜而不是反射镜）。在安德鲁·卡耐基（Andrew Carnegie）的支持下，海尔又在加利福尼亚州建造了威尔逊山天文台（Mount Wilson Solar Observatory），并指出“太阳天文台的主要目标，是将新的仪器和研究方法应用到恒星演化问题物理因素的研究中”。为了实现这一目标，海尔在自己的天文台设置了实验室，通过实验来帮助解释天文观测，这就是现在“实验天体物理”的起源。

建造了威尔逊山天文台之后，海尔继续规划了帕洛玛天文台（Palomar Observatory）的建造。在很长的一段时间里，“世界上最大天文望远镜”的头衔都属于帕洛玛天文台。然而，海尔的成就不只是建造天文台。1895年，身为芝加哥大学教授的海尔创立了美国天文学会（American Astronomical Society）和《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）——美国天文学会是美国天文学家的专业组织，《天体物理学杂志》一直是世界上发表天体物理研究论文的一流专业杂志之一。1904年，海尔组织了一个国际科学团体，后来成了国际天文学联合会（International Astronomical Union），国际天文学联合会可以算是世界天文学家的主流专业组织。1907年，他加入了帕萨迪纳的斯鲁普学院（Throop Institute）董事会，并致力于将其转变为加州理工学院。1916年，海尔领导建立了国家研究委员会（National Research Council）。作为美国科学院的工作部门，国家研究委员会执行了美国科学院的大部分科学研究。

图4 拍摄于2013年1月1日，临近太阳活动极大期。这张图的拍摄方法与乔治·埃勒里·海尔开创的方法类似，使用了氢656.3纳米强发射线上的很窄的波段。在这张图上只能看到几个小的、孤立的黑子，表明这个极大期与过去五十年来的极大期相比，太阳活动是偏弱的。

海尔试图确定太阳黑子是否是磁化的。事实上，他做测量本身就暗示着他觉得黑子是磁场特征。海尔认为，磁场大概是由电流产生的，在1908年的一期《天体物理学杂志》上，他将磁场描述为环绕黑子的旋涡（图5），尽管他的描述似乎表明他把黑子看成是类似地球上的气旋：“看这些照片，很明显的，太阳黑子是中心，吸引着太阳大气中的氢涌过去。”

图5 海尔看到了太阳黑子附近的旋涡状结构，坚信它们是磁场特征。谈及这里展示的太阳黑子，海尔写道：“清晰可辨的螺旋，表明了气旋风暴或者旋涡的存在。”要注意的是，图像中的竖条并不是太阳上的，而是制作图像时人为产生的。

海尔决定应用一种新的方法测量磁场，在此之前，这种方法只被用来研究来自遥远目标的光。早在1896年，荷兰科学家彼得·塞曼（Pieter Zeeman，1902年诺贝尔物理学奖得主）曾发表论文宣布，他发现了测量热气体中的磁场的方法，即仔细分析气体发出的光。塞曼宣称，发光气体中原子的能级（能量值）会因为磁场的存在而略有移动，因此对发射的光的波长有轻微的改变。他在论文的最后提出，这种方法在天体物理中会很有用处。海尔将塞曼提出的这个方法运用在太阳黑子的研究上，结果发现了“金子”——找到强磁场存在的确凿证据。

图6 上图：这里展示了让海尔相信太阳黑子磁场特征的测量结果，从来自太阳黑子的光中观测到了塞曼预测的波长分裂模式。左侧图中的竖线是单色光照相仪的狭缝，来自太阳的光可以通过狭缝照到胶卷上。右侧图展示了对应的光谱，通过狭缝的光按照波长展开。在狭缝穿过太阳黑子的地方，强磁场使得谱线分裂成三部分。水平线是由用于测量的滤光器造成的。

下图：同种测量的现代版本，来自美国亚利桑那州基特峰天文台麦克梅斯—皮尔斯太阳观测设施（McMath-Pierce Solar Facility）。

上面的图像来自海尔于1919年发表的论文，正好论证了太阳黑子中的塞曼效应。望远镜把太阳图像汇聚到一块带有狭缝的闪亮平板上，狭缝则处于太阳黑子所在位置。如图6上部左侧图中看到的那样，竖直的黑线是狭缝，中心的暗处是太阳黑子，来自黑子的入射光可以透过狭缝。入射光穿过狭缝，然后按不同波长展开。选定一个对磁场敏感的特殊波长进行分析，结果显示在右侧图中，波长沿左右方向展开，但是黑子区域的光有些奇怪。为什么会这样呢？这是因为磁场能引起太阳气体原子能级的移动，从而导致原子发射的光的波长分裂成几部分。这一点，和塞曼的描述完全一致。这种波长分裂和光的其他详细特征（例如不同角度的偏振）一样，显示了来自黑子的光产生于一个有强磁场的地方，这种磁场强度比地球平均磁场要强几千倍。塞曼本人对海尔的文章写了如下评论—“海尔教授显然给出了太阳存在强磁场的决定性证据，磁场的方向大体上垂直于太阳表面。”

极强的磁场穿过太阳表面，产生了太阳黑子，这就是黑子现象的本质。不过，大部分人很难想象出磁场是什么样子的以及磁场会产生什么影响，所以，我们有必要先了解磁场。 T8PGyFQoDf/cDHZw8l6NowlrFcMN5H+UQXO+ozOGHo4ezy2HwYjtLYNCn14gcPvH