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Italiano今晚，超級日全食在美國上演，助天文學家解開太陽謎題
文章取自網路，旨在為讀者提供多元信息，文章內容並不代表本網立場和觀點。
來源：環球科學 作者：傑伊·帕薩喬夫（Jay Pasachoff）翻譯：馬驍驍
北京時間8月22日凌晨，2017年日全食即將在美國上演。這次美國全境可見的日全食99年一遇，不僅是難得一見的奇景，也是珍貴的科研機會。天文學家傑伊·帕薩喬夫講述了他在數十次日全食的觀測過程中，探究太陽溫度之謎的故事。
「鑽戒」效應：在太陽被完全遮擋前後，來自太陽光球層的光線穿過月球表面的峽谷來到地球，形成類似鑽戒的形狀。
我喜歡在日食的時候來到戶外，一邊享受著世界變黑的過程，一邊進行觀察研究。很久以前，我會建議別人製作小孔成像裝置，或者用廚房裡的乾酪擦板觀賞日食。不過近年來，僅需1美元即可買到的日偏食濾光片逐漸流行，這樣的建議也就過時了。如今任何人都可以用這種濾光片看著太陽，從日食開始到太陽完全被遮住的這一個多小時中，慢慢觀察太陽被一點點遮住的情景。在太陽完全被擋住的前幾分鐘，你會注意到太陽周圍的光發生了奇妙的變化，甚至有點詭異。由於此時日光僅來自太陽邊緣，物體的影子變得十分尖銳。微風攪動著涼爽的空氣，陰影在地上快速地擺來擺去。
月亮幾乎完全遮住太陽的前幾秒，只有幾縷日光從月球表面的峽谷中穿過來，整個太陽似乎變成了一串珠子。這些亮珠慢慢失去光輝，直到只剩最後一個，彷彿戒指上嵌著一顆閃亮的鑽石。有時候「鑽石」兩側是紅色的狹窄鑲邊，還有整個白色的「戒指環」套在月亮的輪廓之外。然後鑽石也消失了，此刻你可以拿開濾光片直視太陽，而且我也推薦你這麼做。平時被藍天隱蔽的太陽大氣一下出現在你眼前。
這是日冕的內層和中層，由從太陽表面飛出的等離子體構成。日冕的亮度和滿月差不多，比正常日光暗100萬倍，因此用裸眼觀看也沒有危險。乍一看，日冕就像是鑽戒的金屬環，不過仔細觀察就能看到它的完整模樣——像是從太陽表面延伸出來的珍珠色氣體暈，其範圍甚至比太陽半徑還大數倍之多。假如你足夠幸運，你甚至能看到等離子體噴射到宇宙空間的壯麗景象。
不過話說回來，我這麼費力地描述日全食有什麼意義呢？它的美麗是那麼震撼人心，沒人能找到合適的語言表達。每個看過日食的人都告訴我，雖然他們知道我已經儘力在抒發自己的激動之情，但相比真實觀看的感受，我的語言還是太過蒼白無力。電視轉播和電腦屏幕也不能完全傳遞這美妙的感覺。因為照片不能準確反映動態的亮度變化，丟失了令人炫目的對比度。在戶外感受世界變暗的過程是一種完全超乎常識的體驗，天空的亮度先是緩慢變暗，接著在幾秒內變成原來萬分之一的亮度，幾乎每個人都會感受到太陽被奪走的恐懼。
我在大學一年級的時候看了我人生中的第一次日食，從此我便被深深的迷住了。我在那之後一共到世界各地觀看了65次日食，其中33次是日全食。我很期待今年的8月21日，那將是我的第66次日食體驗。這次日全食的觀察範圍橫跨了整個美國領土，這還是1918年以來的第一次。
我追逐日食並不僅僅是為了感官享受，還因為日食為科學家提供了平時無法得到的觀測條件。雖然科學家可以給地面望遠鏡加上金屬錐或遮光板製成所謂的日冕儀，用來觀察太陽邊緣，但這種人工日食的效果遠不如真實日食好。即使在偏遠的高海拔山區，周圍的空氣分子依然會讓天空顯得太藍太亮。太空中的日冕儀也有其他問題，除了遮住整個太陽圓盤外，還需要遮住周圍很寬的範圍，不然會有太多光通過散射進入儀器。除此以外，每個望遠鏡的解析度都是有限的，會讓入射光變得有一點模糊。而天然日食就沒有這個問題，因為此時的「望遠鏡」實際上是整個地月系統，解析度極高。我們可以結合地面與太空的觀測，得到一幅完整的太陽圖像。只有在清涼的月影內，我們才能在可見光波段觀察日冕的內部和中部。
我們希望在日冕的內部找到天體物理學中最費解的一個問題的答案：為什麼離太陽表面越遠的地方，溫度反而越高。通常來說，熱源，比如營火或暖氣片周圍的溫度會隨距離增大而降低。太陽中心的溫度高達1500萬攝氏度，向外逐漸降低，在太陽的光球層（向宇宙發射陽光的部位）附近降到5500攝氏度。可是接下來溫度反而開始上升了。在光球層之上薄薄的一層氣體中，溫度回升到10 000攝氏度以上，接著又突然躍升到數百萬攝氏度。目前，科學家對這種現象的成因依然沒有定論。
從我第一次在1973年的《科學美國人》上描述日冕科學以來，科學家已經進行了大量觀測，理論上也有了很多進展。太空中現在有許多望遠鏡在紫外波段和X射線波段持續對太陽進行觀測，這些信息我們在地面是無法得到的。研究者還開發了各種複雜的工具，把不同的觀測結果結合在一起。如今我們對日冕溫度問題的解釋有了一點眉目，我們知道這應該與太陽磁場有關，但具體細節我們還不清楚。日冕的謎團遠不止這一個，即將到來的日食應該能幫助科學家在解決這些科學難題的道路上更進一步。
天文學家利用日食的機會研究太陽的大氣層，因為僅當太陽主體被月亮擋住時，人們才有機會拍攝到太陽邊緣的圖像。日冕是由太陽表面噴射出的羽狀或環形氣流形成的氣體暈。日冕的溫度比太陽表面更高，科學界一直不知道該現象的原因。觀測日食或許能幫助天文學家破解這個謎題。
科學家提出了兩大類假說，試圖解釋日冕如何獲得能量。研究者準備研究日食期間的日冕數據，計算出日冕氣體的振動頻率，並希望通過這些觀測辨別兩類假說哪種正確，又或者是否同時成立。
多變的太陽表面
科學家對日冕已有很多了解。首先，它看起來像一隻巨大的豪豬，向外延伸出許多纖細的冕流，有一些底部較粗，在高處變細，像一個尖尖的頭盔。這些冕流的形狀隨太陽活動周期變化。
2012年到2014年是太陽周期中太陽黑子較多的年份，盔狀流爆發的位置可延伸至南北緯30度位置，因此日冕整體看起來是圓形。我們如今正處於太陽活動極小期，這個時期內的日冕呈扁平狀，盔狀流大多出現在太陽赤道附近，同時兩極出現細直的冕羽。太陽表面有帶電粒子飛入太陽系，也就是所謂的太陽風。在冕流之間的空曠區域流出的太陽風速度可達每秒數百千米，是其他區域的太陽風速的兩倍。在日冕底部和太陽光球層的連接處，有著氣體形成的小型環流，可能由目前觀測手段難以分辨的細流組成。當波沿著或穿過冕環來回反彈時，這些冕環還可能發生脈動。
日冕的這些紛繁複雜的細節源自太陽深處的粒子流形成的磁場。但研究者還不知道磁場的變化是怎樣讓日冕溫度變得如此之高的。我們之所以確定這和磁場相關，是因為與熱傳導不同，磁過程是不受熱力學限制的，有可能讓能量從低溫的太陽表面流向高溫的日冕區域。
2017年2月的日環食圖片，本文作者攝於阿根廷巴塔哥尼亞高原。
爆炸還是波動？
對於太陽磁場如何把能量轉送至日冕上方，科學家有兩種猜測。一種方式是通過小型的耀斑。耀斑爆發出現在磁場發生劇烈變化之時，持續時間只有數秒。如果把太陽表面的磁場描繪出來，你可以看到在太陽黑子區域附近磁場的南北兩極偶爾會混在一起。在此類情況下，磁場承受了巨大壓力，為了把壓力釋放出來，磁場兩極會以全新的方式突然連在一起，噴射出巨大能量。這樣的磁重連過程會在局部區域把日冕加熱到1000萬攝氏度甚至更高，併發出明亮的閃光，有時還會向宇宙空間噴射等離子體。耀斑能摧毀繞地球運行的衛星和航天器，對去往火星的航天員也是巨大威脅。
我們觀察到的耀斑僅是斷斷續續地發生，這不足以解釋太陽大氣的基礎溫度。會不會有一些難以被單獨探測到的小型爆炸對日冕有影響呢？美國航空航天局（NASA）戈達德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center）的詹姆斯·克利姆丘克（James Klimchuk）特別支持這種「小型耀斑」假說。該假說認為，日冕中每秒鐘有數百萬次小型爆炸，每次爆炸的能量約為一次大型耀斑的十億分之一，這些小耀斑使日冕維持在極高溫度。
和該假說並駕齊驅的另一個理論認為，磁場的振蕩加熱了日冕。日冕下層存在振動的環流，帶動了周邊的氣體，並使其升溫。這些波動有不同形式。科學家已經排除了由氣壓驅動的聲波，不過由磁驅動的阿爾文波（Alfvén waves）和混合兩種機制的磁聲波仍有可能。和磁場相關的某種波足以把日冕加熱至數百萬度嗎？
原則上說，通過測量日冕氣體的振動，研究者可以分辨小型耀斑假說和波動假說。假如可以觀察到周期為10秒到數分鐘的波動，這就暗示存在沿著冕環傳播的標準阿爾文波。研究者通過日震學技術觀測太陽表面的振動，發現太陽的確可以觸發產生這種波。儘管最強的振動模式周期略長，約為5分鐘，但這也只是太陽表面眾多振動模式中的一種。
日食觀測對測量冕環波動十分關鍵。從地球觀測有一大優勢，人們可以使用時間解析度比空間望遠鏡更高的觀測設備。我的研究組使用快速讀取電荷耦合器件（charge-coupled devices，簡稱CCD），能在一秒內捕捉數張圖片。相比之下，空間設備就慢多了，NASA太陽動力學天文台（Solar Dynamics Observatory）的「大氣成像組」（Atmospheric Imaging Assembly）照相機用了10組濾鏡，每12秒進行一次觀測。美國海洋和大氣管理局的新靜止環境觀測衛星（Geostationary Operational Environmental Satellite）GOES-16上配備的「太陽紫外成像器」（Solar Ultraviolet Imager）用了6個濾鏡，最快速度是10秒一次觀測。
我們已有的發現拓展了理論的可能性。某些振動模式的周期小於1秒，和一種特殊模式的阿爾文波的理論預測一致，對應了在冕環表面而不是內部傳播的波動。不過我們的數據還不充分：在之前的日全食中，只有兩次觀察到了這種高頻振動，持續時間只有幾分鐘。今年我們將使用複雜的CCD設備，用波段極窄的濾光片分離熾熱的日冕氣體光譜，測量波動的頻譜特性。我們希望觀測結果能幫助研究者分辨出哪種理論能更好地解釋日冕溫度，又或者能證實這幾種機制同時都起了作用。黑子上方的活躍區域很適合產生耀斑，而波動相對較弱。不過在安靜的區域，我們或許能觀測到小冕環上的波，或者千億個永無休止的小耀斑。
日食追蹤戰術
科學家想出了一些辦法，來最大限度地利用日食提供的觀測機會。觀察日食能讓我們以很高的空間解析度和時間解析度仔細觀察日冕的形狀。地面上觀察到的日食圖像比最好的空間日冕儀還要清晰10倍。雖然日食每次時間都很短，而且兩次之間要隔很久，但我們可以結合各次日食，或是不同地點對同一次日食的觀測數據，一定程度上緩解這個困難。
例如，我們在一個完整的11年太陽活動周期內持續觀測日食現象，跟蹤了日冕形狀的變化，分析它偏離球形的程度，這反映了冕流在不同緯度的分佈。我們還拿這些結果與其他太陽活動觀測進行比較。我和斯洛伐克科學院的天文學家沃伊泰克·魯辛（Vojtech Rusin）合作進行了這些研究。儘管在每個觀測點僅有數分鐘觀測時間，但我們能結合數個觀測點的數據，記錄到月球影子掠過地球的數小時內，太陽冕流和極羽的變化。而在8月21日的日食期間，我們甚至可以在普通觀測者的幫助下，從西海岸到東海岸連續進行觀測。
另一個需要組合多張日食照片的原因是，這樣可以記錄更大亮度範圍內的日冕圖像。從多次曝光得到的不同照片中，我們可以挑選出合適的組合到一起。在這個計算機成像領域，捷克布爾諾大學的計算機科學家米洛斯拉夫·德魯肯米勒 （Miloslav Druckmüller）是最為著名的專家。日冕最內部接近太陽邊緣的部位亮度最高，而向外經過一個太陽半徑的距離后，亮度會降為1000分之一。要處理這樣的亮度範圍，我們需要選擇數十張照片中每張照片里曝光最好的部分，然後拼接起來。最近幾次日全食發生在印度尼西亞、斯瓦爾巴、加彭、澳大利亞等地，我們從這幾次日食得到的合成圖片中測量了冕流、極羽和物質噴射的速度。我們希望8月的觀測能有力地補充這一系列的觀測。
我們還可以利用月亮漸漸遮住太陽的過程。當月亮經過太陽黑子時，黑子的突然出現或消失會使得太陽亮度出現突變，這一特點可用於精準確定細微結構的位置。為了得到超高解析度的圖像，今年我們團隊與新澤西理工學院的戴爾·加里（Dale Gary）、美國國家射電天文台的蒂姆·巴斯琴（Tim Bastian）和NASA噴氣推進實驗室的湯姆·凱珀（Tom Kuiper）合作，觀測多波段可見的活躍黑子區域。對於每個黑子區域，我們都將用射電望遠鏡測量其在月亮遮住太陽過程中的亮度變化。儘管這些望遠鏡位於全食帶以外，但都能觀測到約70%遮擋的日偏食。我們將從加利福尼亞州的增容歐文斯谷太陽陣列（Expanded Owens Valley Solar Array）得到最高解析度的射電觀測，該望遠鏡陣列整合了13個射電望遠鏡對太陽進行連續觀測，覆蓋了從2.5GHz到18GHz的數百個波段。加利福尼亞州的另一個望遠鏡——金石蘋果谷射電望遠鏡（Goldstone Apple Valley Radio Telescope）解析度稍低，但可通過填充背景提高圖像質量。我們能夠把這些射電波段觀測得到的冕環亮點的精確位置，與紫外和X射線波段觀測到的亮點位置匹配上，從而了解這些冕環的加熱過程。
學術界對光球層的磁場研究較多，但對日冕的了解就要少得多。因此，哈佛-史密森尼天體物理中心埃德·德盧卡（Ed DeLuca）、利昂·戈盧布（Leon Golub）和哈佛大學的研究生詹娜·薩姆拉（Jenna Samra）、美國國家大氣研究中心（NCAR）高緯度天文台的菲利普·賈奇（Philip Judge）合作，計劃用NCAR的灣流五號飛機跟蹤日食。因為飛機是在吸收紅外線的大氣層以外飛行，所以能夠測量紅外波段譜線的強度。他們希望能在其中找到對磁場敏感的譜線。
假如這次觀測獲得成功，他們還計劃在下一次日食時搭載偏光濾鏡再飛行一次，測量日冕磁場。偏光儀器把光波分為不同偏振方向，能幫助我們識別日冕的不同成分。日全食時用肉眼觀察日冕內部，看到的是被高度電離的氣體散射到我們這個方向的陽光。散射使光線偏振，而且這個過程導致的電子運動還會抹掉正常太陽光譜中本應存在的暗線。在日冕之外，接近水星軌道的位置，被星際空間中塵埃反射過來的光線則既不偏振，也不會抹掉太陽譜線。戈達德中心的納特·高帕斯瓦米（Nat Gopalswamy）、賈奇、同在高緯度天文台的史蒂文·托姆奇克（Steven Tomczyk）和空間科學所的帕德馬·亞娜曼德拉-費舍爾（Padma Yanamandra-Fisher）也準備利用今年的日食研究偏振光。建於毛伊島的丹尼爾·井上太陽望遠鏡（Daniel K. Inouye Solar Telescope）將在2018年投入使用，它配備的設備之一能通過研究紅外譜線的偏振直接測量日冕磁場。當NASA的帕克太陽探測器（Parker Solar Probe）在2018年發射升空后，它會穿越日冕，幫助我們解開日冕溫度之謎。
作者團隊拍攝的2013年加彭日全食的合成圖片，可以看到色球層和日冕。
全世界的努力
一言以蔽之，這次日食能提供的天文數據十分重要，而我此處的介紹才僅僅觸及皮毛。NASA資助了11個研究提案，其中6個和日冕研究相關，另外的5個則要研究日食帶來的急速降溫對地球大氣的影響，關於這一課題我和委內瑞拉安第斯大學的馬科斯·佩尼亞洛薩－穆里略（Marcos Peñaloza-Murillo）也有過一些研究。美國另一個利用這次日食研究日冕的團隊是夏威夷大學天文學研究所的莎迪雅·哈巴爾（Shadia Habbal）領導的。她的研究團隊叫做「太陽風夏爾巴人」（Solar Wind Sherpas），將使用針對不同溫度等離子體設計的濾光片對日冕成像。哈巴爾在NASA拿到了新的經費，用於改進她的小組最近設計的雙通道成像光譜儀，該儀器在2015年測試成功。他們將在地面和空間對日食進行各種觀測，這將成為迄今為止對紅外波段的日冕（包括光譜和偏振）進行的最為詳盡的研究。
在過去的33次日全食中，我到過世界上不同的角落，得到了很多國際同行的幫助。這次輪到我們回報他們的盛情了。我們期待在8月的日全食時和巴黎天體物理所（Institute of Astrophysics of Paris）的塞爾日·科契米（Serge Koutchmy）及他的同事合作，獲得高質量的圖像和分析結果。在我自己團隊的觀察點，也會迎來來自澳大利亞、斯洛維尼亞、希臘、日本、中國、伊朗等國家的同事。
科學愛好者也有豐富的機會加入到專業研究者進行的日食研究中。我參与了加利福尼亞大學伯克利分校空間科學實驗室組織的「日食大電影」計劃 （Eclipse Megamovie Project）。該計劃由勞拉·派蒂克拉斯（Laura Peticolas）發起，人們可以通過谷歌提供的介面上傳自己拍攝的日食圖片和視頻，這些內容會被存儲並組合為一部橫跨北美大陸的電影，供公眾瀏覽和分析。和這個類似的還有美國國家太陽天文台的馬特·佩恩（Matt Penn）組織的「全美公民日食記錄」（Citizen Continental-America Telescopic Eclipse），這個活動組織了北美大陸上約70個觀察點，用相同的小型望遠鏡和CCD探測器記錄日全食。
8月還有一個不尋常的實驗，和日冕無關，實際上日冕對這個實驗反而是個麻煩。阿瑟·愛丁頓（Arthur Eddington）在1919年利用日食驗證了愛因斯坦的廣義相對論，這是科學史上最著名的幾個實驗之一。廣義相對論預測質量能引起時空扭曲，因此愛丁頓嘗試驗證掠過太陽表面的光線是否發生了偏轉。多年以來，我一直和人們說，當日全食到來之時，除了重複愛丁頓的實驗，還能做更有趣的事。畢竟物理學家現在有更精確的驗證相對論的方法。不過現在看來，觀測能力的進步讓這個經典實驗變得有用了，或者說，至少更有趣了。
已退休的物理學家唐·布倫斯（Don Bruns）準備再做一次這個實驗。為了校準望遠鏡，他設計了精密的方案，需要拍攝很多夜間的星空圖片。2006年日食期間，比利時的讓-呂克·迪蓋（Jean-Luc Dighaye）也嘗試了類似的實驗，他當時使用的是數碼單反相機，加利福尼亞大學伯克利分校和勞倫斯·伯克利國家實驗室的卡爾頓·彭尼帕克（Carlton Pennypacker）和我還試著幫忙分析數據。不過那次實驗沒有成功，原因是商用單反相機的像素太大了。我們希望使像素更小且校準精度更高的天文級CCD探測器能成功。路易斯安娜州立大學的布拉德利·謝弗（Bradley Schaefer）認為，現代的成像設備擁有足夠的解析度和靈敏度，可以超越過去實驗的精度，他將會嘗試去觀測廣義相對論預言的效應。歐洲空間局的蓋亞衛星最近剛剛發布了一組數據，提供了恆星位置的超精確數據，因此我們只需要對望遠鏡做更少調校即可觀察太陽導致的空間扭曲。
日食即將來到
8月21日的日食起始於日出時的太平洋。美國領土上首先能觀看到日全食的是俄勒岡州，同時加拿大、墨西哥以及南美可以看到日偏食。全食區域在離開南卡羅來納州查爾斯頓附近90分鐘后，在日落時分終止於大西洋，這段時間非洲西北部和歐洲西部能看到日偏食。
假如天氣合適，科學家和普通民眾將有幸經歷這一壯觀的事件，而且一定會感慨萬千。結合地面和衛星的觀測結果，我們將綜合包括可見光、紫外線、X射線、射電波段在內的各種數據，得到迄今為止最完整的太陽大氣數據。
對太陽的研究結論也適用於宇宙中億萬個類似於太陽的恆星，儘管我們不能對它們做細緻的觀測。太陽可以說是我們研究得最透徹的一個天體了，但我們對它的認識居然還這麼淺薄，這或許會讓一些人感到不快，但對我來說這倒是一個反覆體驗日食這一神奇現象的最好「借口」。
數十年前，我每次日全食的時候都在忙著拍照，都沒有閑暇真正抬頭看它一眼。現在好了，有了計算機的幫助，拍攝過程變得自動化，我終於能夠享受日全食的那幾秒，全身心地體味日食的魅力。與此同時，照相機自動按下快門，電子感測器把它們得到的數據上傳到計算機。我很期待在俄勒岡迎來人生中第66次日食。假如你和我一樣是日食迷，你可以開始考慮2019年和2020年的日食了，分別可在智利和阿根廷觀察到。然後2024年還有一次橫跨美國東部的日全食，從得克薩斯州一直到緬因州。2023年的日環食的部分過程也能在北美和南美觀察到。
