【天体物理】一次日全食,一场科学盛宴

放心去飞啦啦啦

今夜，我们即将迎来或许是科学史上最重要的一次日全食。这次的日全食将从太平洋开始，横穿美国全境，到大西洋上结束。整个北美洲，南美洲北部、欧洲西北部也都可以看到日偏食。很可惜，在国内则无缘得见（无法亲临现场的读者可在网上观看直播哦~）。

△ 8月21日美国日全食将历史大约1小时半。位于出现日全食区域（黄色/橙色的区域）的人们将看到太阳完全消失不见大约两分钟，在日全食前后也将目睹大约90分钟的日偏食。（图片来源：E. OTWELL）

届时，人们将可以观赏并体验到发生在宇宙舞台的一场精妙绝伦的短暂演出。对于天文爱好者来说，这是一场决不容错过的盛宴，而对于科学家而言，这场历时约90分钟的演出将是他们进行科学研究的千载难逢的机会。

当月球把太阳完全遮挡住时，一系列的望远镜、光谱仪和偏光镜将直接瞄准那些我们平时无法观测的部分。过去，日食是我们观测那部分太阳的唯一途径。也许你会好奇，今天我们有空间望远镜能够在不同的波长下24小时观测太阳，那我们还可以从这次的日全食中获得更重要的信息吗？结果证明，有许多是我们可以做的。科学家希望通过观测这次的日全食获得更多的数据，找出解开下面一些问题的线索。



△ 日全食期间，NASA的11颗卫星将执行不同的任务，展开全方位的研究。（图片来源：NASA）

1. 为什么今年的日全食对科学家而言如此重要？

研究人员所追求有的许多科学问题都跟太阳大气的最外层——日冕有关，它是诸多太阳物理现象的发源地，比如太阳风和日冕物质抛射。这是为什么NASA此次资助的11个项目中有6个都是跟日冕有关。

通常情况下，日冕只有在日食的时候才能被观测到，但平时我们也可以借助日冕仪（在望远镜上加上遮光板）来挡住太阳的光芒以研究日冕。不过日冕仪有一些缺点，比如为了防止太多的光子进入仪器，望远镜所配备的挡板通常要比太阳圆盘更大，但这样就会挡住大部分内冕的区域。此外，还有衍射等问题。而当月球完全把太阳挡住时，就起了天然挡板的作用，避免了许多令人抓狂的问题。而且在地面上拍摄的日食图像都要比空间日冕仪清晰上数倍。这也是为何日全食对研究太阳物理如此重要的原因。



△ 空间望远镜利用日冕仪将太阳的光芒挡住，就可以观测到日冕，这张照片是由空间望远镜SOHO太阳天文台拍摄的，可以清楚的在右上角看到日冕物质抛射。（图片来源：LASCO C2/SOHO, NASA, ESA）

日全食一般每18个月都会出现，它们并不是什么罕见的事件。而月球的影子投射在地球表面的哪个位置，决定了我们的观测时间。这次的日全食留给地面观测者的时间长达~90分钟（各地观测者只有两分钟的时间）！当所有两分钟的数据加起来的时候，就变成了一次~90分钟的事件。为了完美的利用这段时间，美国国家天文台的Matt Penn发起了CATE计划[1]，邀请自愿者加入到这次的观测事件中。



△ 公民CATE实验。（图片来源：NSO）

2. 日食期间，动植物的行为会有变化吗？

在日食发生的期间，我们时常会听到动物界的许多奇闻异事，比如鸟儿突然安静下来，蜜蜂回到自己的蜂巢，蟋蟀唧唧的叫等等。过去也有很多诱人的观测报告，但是都非常局限。



△ 日食期间，动植物会以为是夜幕降临么？（图片来源：DARIOS44）

一个叫做“Life Responds”日食计划[2]的发言人Elise Ricard对此表示：“关于动物，甚至是植物，对日全食的反应的相关研究很少。” 而这次的日全食或许会带来改变，特别是智能手机的广泛应用，人们可以更方便的记录他们的对动植物的观测。今年，加州科学院就号召公民科学能够通过一个叫iNaturalist的App[3]记录下他们对动植物的行为的观察，希望能够收集到前所未有的信息。

3. 日食期间，地球的大气层会有什么变化吗？



△ 大气层中的电子会被太阳光从原子中剥离，产生电离层。但是在日全食期间，这个过程将会终止。（图片来源：NASA）

有这么一群人，无论是晴天还是下雨，他们都会在日食期间打开无线电接收器。他们所感兴趣的目标并不是太阳，而是距离地球表面75 - 1000公里上空的电离层。这部分大气层由于受到太阳辐射，原子和分子中的电子会被剥离（或离子化），就会产生电离层。电离层会吸收来自太阳的紫外辐射，保护地面的生命不受伤害，可以说它是生命之所以存在于这个星球的原因之一。此外，电离层也是北极光上演的舞台，它在GPS信号和无线电通讯中都扮演着至关重要的角色。

在没有阳光的照射下，电离层会停止离子化。自由带负电的电子开始重新和带正电的离子结合，中和大气中的电荷。由于四处乱窜的自由电子大量减少，电离层会以不同的方式反射无线电波。我们大概知道这是怎么发生的，但不精确，因此通过日全食，科学家能够深入的研究这其中的奥妙。乔治梅森大学的George Mason和她的同事号召自愿者加入到“Eclipse Mob”[4]的计划之中，收集当太阳被完全挡住时电离层的反应的数据。科学家也将会考察日食对GPS信号的影响。



△ 大约150名的Eclipse Mob实验的参与者将收到一个小无线电接收器的DIY工具箱。这是一个完整的电路，可以插入智能手机的耳机接口。其他参与者则需要自制接收器。当天，参与者将接收到无线电发射机发出的信号，并记录在日食期间和前后的信号的强度。（图片来源：K.C. KERBY-PATEL）

4. 日食期间，能否帮助我们揭开水星表面之谜？

美国时间21日上午，两架喷气式飞机将从休斯顿的约翰逊航天中心起飞[5]，以每小时750公里的速度追逐月球的影子。飞机上携带的仪器将专注于观测太阳系中的另一员：水星。飞机在黑暗之中呼啸而过的短暂时间内，这些仪器将会收集到足够的数据回答关于水星的一个谜题：水星表面的内层是由什么组成的？



△ NASA的“信使号”环绕水星的4年时间里，揭露了很多水星表面的细节。2017年的日全食将更深入的挖掘该行星的表面成分。（图片来源：NASA）

由于水星离太阳太近，从地球上研究它是很困难的一件事。另外，我们也很难在近处观察它，因为极端的温度和辐射会威胁任何靠的太近的航天器。而且太阳的亮度也会阻碍信号从航天器上发送回地球。

2011-2015年期间，NASA发射的“信使号”环绕着水星运行进行考察。但“信使号”只能触及表面，并通过一个叫“反射分光计”的仪器分析水星的成分。信使号测量了水星表面波长小于1微米的反射光，发现了水星含有惊人数量的硫和钾。但这些波长只来自水星表面顶端的几微米处，在那之下的成分完全是未知的。

为了深挖水星的表面，太阳物理学家Amir Caspi和行星科学家Constantine Tsang和他们的同事将利用特别设计的红外摄影机，可以探测的波长为3 - 5微米之间的光。两架喷气式飞机上将携带大量的仪器，它们所处于的高度和速度有两个优势：更少的大气干扰和更多的时间处于日全食之下（飞机将在400秒的时间内处于完全黑暗之下）。



△ 望远镜被安装在喷气式飞机的鼻子上，试图找出水星地面下的成分。（图片来源：Amir Caspi）

水星的光面表面温度为425摄氏度，它会释放波长为4.1微米的光，正好是仪器探测的范围。给定水星表面任何一点，当它旋转避开太阳时，温度会下降至零下179摄氏度。测量水星在多快的时间内会失去热量能够帮助研究人员找出水星表面下的材料是由什么构成的，以及密度又是多少。Caspi表示，他们正在尝试制作水星表面的第一张热像图。

5. 利用日食可以验证广义相对论吗？

1915年，爱因斯坦发表了广义相对论，并预言了太阳的引力将会弯曲它周围的时空。在日食期间，太阳背后的恒星的位置跟平日夜晚里没有太阳时的位置不同。1919年，天文学家Arthur Eddington在日食期间拍摄的一组照片证明了爱因斯坦的理论是正确的，使爱因斯坦一夜之间成为了家喻户晓的大物理学家。在过去的100年间，广义相对论经受住了所有的检验。



△ 天文学家Eddington在1919年5月的日食拍摄下这张照片，显示了背景恒星的位置的偏离，验证了爱因斯坦的新理论。（图片来源：F.W. DYSON, A. S. EDDINGTON, AND C. DAVIDSON）

历史上，Eddington的实验只被重复了六次，上一次是在1973年。之前的测试都是用了照相底片，而且测量恒星的位置的精确度从未超过10%。如果恒星的位置实际上在非常微弱的程度上偏离了爱因斯坦的预测，之前的实验是无法测量到这个差异的。

但现在的技术发展远远超出了想象，任何一个人都能做的比之前的实验好上10倍。其中数码相机的进步是关键。除了能够快速拍摄大量照片外，摄像机还配有CCD，可以将数千个像素压缩到一个微型的芯片上。这样就可以在不需要大型摄像机的情况下拍摄高分辨率的图像。路易斯安那州立大学的天体物理学家Bradley Schaefer将借这次机会重现史上最伟大的科学实验之一。而我们可以预期，Schaefer将再次验证爱因斯坦的理论。

6. 我们能够在日食期间研究日冕的磁场吗？

日全食发生的时候，太阳的纤细大气层被带到了聚光灯之下。这个区域被称为日冕，通常都太过暗淡无法直接观测。日冕的炽热等离子体是一个向外辐射、不断变化的冕状结构，充满了羽状和环形气流。有时候，其中的一个冕环会折断，并向太空中抛射高能的物质，这被称为日冕物质抛射。当爆发对准地球时，会触发极光的产生，或破坏卫星，摧毁电网。



△ 太阳的磁场与日冕的磁场相连接，但日冕的磁场弱的多，因此难以观测。他们相互纠缠形成一个扭曲混乱的局面，这里用白线描述。（图片来源：NASA/SDO）

这些带电粒子的运动会产生磁场。理解太阳的内在磁场是理解和预测日冕活动的关键。令人惊讶的是，尽管我们对太阳表面的磁场已经有足够的理解，但是我们对日冕的弱磁场却知之甚少。为了全面理解日冕，我们就必须先理解磁场，它是一切的核心。

在日食期间，哈佛大学的应用物理研究生Jenna Samra[6]和其他人将在波长介于1到4微米的红外光下观测日冕。当镁、铁、硫或硅等重元素失去一个电子到周围的热等离子体时，就会释放出这些波长的光。不同强度的磁场会使这些电子会特殊的方式旋转。当光朝地球传播时，这些螺旋会改变光的方向。为了探索磁场，科学家就必须测量这个方向（或偏振）。

届时，科学家有足够的时间去获取红外光谱。这次各个科研团队在日食期间测量的光谱将不会立即被转化为磁场的强度或形状，但这些测量会帮助我们确定哪些波长是最容易观测的。这也将为正在建设的未来望远镜指明方向。

7. 太阳风来自哪里？



△ 太阳风触发了地球大气层中极光的产生。这张照片是在6月26日从国际空间站中拍摄的。（图片来源：NASA）

带电粒子流以每秒数百公里的速度不断的从太阳飞出，并在传播的途中轰击脆弱的行星。这些带电粒子流被称作“太阳风”，它在太阳系生命的形成中起到直接的作用。有科学家认为，它是导致火星逐渐丧失大气层的罪魁祸首[7]。地球面临着同样的威胁，幸好被地球的强磁场保护着。

但是科学家还无法理解太阳风运作的一些关键细节。它起源于太阳表面和大气层相遇的区域。就像地球上的风一样，太阳风也是阵风，它在不同的区域有着不同的传播速度。比如在在冕流空旷的区域流出的太阳风的速度是最快的。但没有人知道为什么太阳风如此变化无常。



△ 加强版的太阳风，带电粒子离开太阳后，弥漫在整个太阳系。（图片来源：CRAIG DEFOREST, SWRI）

这次的日全食给天文学家提供了一个理想的机会来捕捉太阳风在内冕的活动。戈达德太空飞行中心的Nat Gopalswamy和他的同事将在日全食期间测试一种最新版本的“偏振计”，该新仪器是专门设计来测量离开太阳的电子的温度和速度的。测量将从接近太阳表面开始，向外一直延伸到560万公里左右。

8. 太阳物理学最大的谜题：为什么日冕这么热？

日全食，照亮了太阳最难以捉摸的大气层——日冕。在那里，物质的密度只有太阳表面的是万亿分之一，从它精致又透明的外表来看，很容易让人以为那里应该是太阳最冷的地方。如果你也这么想，那就大错特错了。



△ 研究太阳的方式有很多，这张图片显示了在不同的波段下（比如X-射线、可见光、紫外光等）研究太阳的各种性质。在日全食期间，物理学家将采取所有的途径来找出为何日冕如此炙热的原因。（图片来源：NASA GODDARD SPACE FLIGHT CENTER）

日冕其实是一个神秘的炽热地狱，从太阳表面继续向外进入太阳大气，温度从几千度跃升到了几百万度！这是非常反直觉的，当你远离热源时，反而变得更热。我们都知道加热材料的最基本方式是基于粒子之间的相互碰撞，但是日冕太过于稀薄，无法这么运作。那究竟是什么原因导致了日冕拥有如此高的温度？这是太阳物理学中长久以来悬而未决的大问题之一。

△ 日冕的极度高温会将电子从铁原子身上剥离。科学家利用这些缺少电子的铁原子来估算日冕的温度。这张图片来自2008年的一次日全食，红色表示缺少了10个电子的铁原子，蓝色表示少了12个电子的铁原子，而绿色则表示铁原子缺少了13个电子。（图片来源：S. HABBAL ET AL.）

物理学家提出了许多的理论。例如，或许是因为在日冕中的磁场线环像吉他弦一样振动，加热日冕，有点像微波炉加热食物。又或许是叫做“纳米耀斑”的小型爆炸或针状体的喷射从太阳的光球层带走能量到日冕。还有其它的理论，但未有定论。此次的日全食，有许多团队将使用配有滤光片的望远镜探测偏振光、红外光或者是缺少电子的铁原子来寻找答案。

或许所有的理论都对日冕的高温有所贡献，似乎很难说哪个是最重要的。但不管怎样，日全食是科学家检验这些不同模型的绝佳机会。

为了迎接这次的日全食，科学家已经谋划了多年。上面提到的仅仅只是这次日全食即将展开的研究、实验和观测的一部分。无论是从精神或数据层面，这次的日全食都将带给我们的前所未有的震撼。

参考文献：

[1] http://eclipse2017.nso.edu/citizen-cate/


[2] https://www.calacademy.org/citizen-science/solar-eclipse-2017

[3] http://www.calacademy.org/citizen-science/solar-eclipse-2017

[4] http://eng.umb.edu/~eclipsemob/

[5] https://jsc-aircraft-ops.jsc.nasa.gov/wb57/

[6] https://spie.org/Publications/Proceedings/Paper/10.1117/12.2232128

[7] https://www.sciencenews.org/article/extreme-gas-loss-dried-out-mars-maven-data-suggest

文章来源于原理公众号，感谢原作者如有侵权请尽快告知删除，谢谢！

主编圈点：对于天体的研究，必然绕不开对太阳的研究，这次的日全食无疑为我们研究太阳以及太阳相关的活动提供了一个契机，与其说此次的日全食是一场观赏盛宴不如说是一场科学盛宴，让我们对太阳有了更多的了解。

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