日食將如何永遠改變太陽科學

本文是特別報道的一部分，該報道關於 2024 年 4 月 8 日在美國、墨西哥和加拿大部分地區可見的日全食。

在 2024 年 4 月 8 日，北美一條 115 英里寬的地帶將陷入黑暗。月球盤將滑到太陽前方，遮蔽太陽的表面，形成一個玫瑰色、蓬鬆的火焰冠冕，從墨西哥的馬薩特蘭到加拿大的紐芬蘭都可見。這將是這一代人的最後一次奇觀——下一次在北美各地可見的日全食將在 2044 年 8 月 23 日發生。

興奮的不僅僅是觀眾。日食是科學家研究太陽日冕的最佳方法之一，當月球擋住我們明亮的恆星時，火環就會顯現出來。這個特徵仍然是太陽最神秘的部分之一。天文學家最初認為日冕是月球的一個特徵——可能是陽光從月球大氣層反射出來。但月球沒有大氣層。直到 1806 年，西班牙天文學家何塞·華金·德費雷爾才意識到它是太陽的一個特徵，並將其命名為corona，西班牙語中“皇冠”的意思。[相關： 以下是觀看 2024 年日全食的最佳地點]

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我們現在知道日冕是太陽令人震驚的熾熱外層大氣。這個大氣層釋放出一種神秘的粒子“風”，偶爾還會以稱為日冕物質拋射的翻滾能量包的形式釋放出自身的一部分。然而，我們不知道的是這些事情是如何或為什麼發生的。

4 月 8 日，天文學家將把他們的望遠鏡對準日冕，希望能解開這些現象的神秘面紗。他們將得到最近抵達太陽的兩艘新航天器的幫助，這些航天器從日冕附近甚至內部收集資料。這些探測器，加上科學家們期望從日食中獲得的見解，應該使今年成為自太陽物理學領域誕生以來最激動人心的時刻。

太陽物理學誕生於 1868 年 8 月的日全食期間。天文學家剛剛開始使用稜鏡來研究光譜學，將太陽光分解成其組成顏色，以研究恆星的化學成分。太陽光譜包含條形碼狀的暗線，表明存在氫、鈉和鐵等元素。兩位天文學家在 1868 年 8 月的日食期間獨立捕捉到了太陽光譜，發現它包含一條新線，對應於一種新元素——第一個在地球之外發現的元素。他們以希臘太陽神赫利俄斯的名字將其命名為氦。

第二年，在另一次日全食期間，愛荷華州的天文學家在太陽光譜中看到了其他奇怪的東西：日冕中一條明亮的綠線，他們懷疑這屬於一種新的化學元素。他們宣佈發現了 coronium，僅在太陽光暈的輝煌紫粉色火焰中發現。又過了 70 年，另一位物理學家才正確地將 coronium 識別為一種奇怪形式的鐵，它被電離了 13 次，這意味著它只有典型鐵原子一半的電子。只有當鐵原子在約 200 萬華氏度的可怕坩堝中被烹飪過時，這種狀態才有可能實現。然而，太陽的表面溫度為 10,000 華氏度。這意味著日冕比發出熱量和光線的表面熱 200 倍。這就像坐在篝火前，座位比燃燒的木柴熱 200 倍。科學家們一直在努力解釋這種巨大的溫差。“這就是現代太陽物理學的真正起點，”科羅拉多州博爾德市西南研究所的太陽物理學家丹·西頓說。“沒有人想到太陽會存在百萬度或更高的等離子體。這意味著什麼？它的後果是什麼？”

芝加哥大學的天體物理學家尤金·帕克用“微不足道的計算”來形容這一發現的最大後果。1958 年，帕克發現，如果日冕溫度為 200 萬度，流體動力學定律表明它必須產生恆定的粒子流出，最終速度將超過音速。帕克的想法遭到了抵制，但在 1962 年，水手 2 號宇宙飛船證實，這些被稱為太陽風的粒子確實存在。科學家們仍然不完全理解為什麼。不過，他們正開始獲得答案，這要歸功於包括一顆以帕克命名的宇宙飛船在內的兩艘宇宙飛船。

NASA 於 2018 年發射的帕克太陽探測器是有史以來建造的最堅固的航天器之一。其 4.5 英寸厚的碳複合材料防曬罩可以承受近 2,500 華氏度和 280 萬瓦的太陽能。其鉸接式太陽能電池板可以縮回其後方以進行保護，其板載水基冷卻系統吸收太陽能電池板的熱量，然後將其輻射到太空。該探測器的設計目的是比人類有史以來建造的任何東西都更接近太陽，取樣其大氣層、風、磁場和光線。

2021 年，帕克太陽探測器成為第一艘飛過太陽日冕的航天器，從那時起，它已經進行了近 20 次近距離接近。在其為期七年的任務中，它將完成 24 次繞太陽軌道執行，利用金星的引力場將自身彈射到離太陽更近的地方。它的第七次也是最後一次金星飛掠定於 2024 年 11 月。西頓說，將帕克太陽探測器送入太陽表面，潛入百萬度日冕，是一件瘋狂、荒謬地冒險且幾乎令人難以置信的事情。“這個東西能工作真是令人震驚。”

科學家們寄予厚望的第二艘航天器是太陽軌道飛行器，這是一艘歐洲航天局於 2020 年發射的探測器。它目前正在水星軌道內觀測太陽——沒有帕克探測器那麼近，但足夠近，可以研究日光層，這是一個太陽向各個方向吹出的帶電粒子氣泡，其邊緣構成了我們太陽系的盡頭。它是第一個詳細研究太陽未開發極地區域的觀測站，這些區域很難或不可能從地球上看到。

這兩艘航天器是自 1961 年的探險者 10 號以來發射的約二十多艘太陽觀測航天器中的最新一批；其中，除了地球上的許多太陽天文臺外，還有 19 艘仍在執行。帕克太陽探測器和太陽軌道飛行器很快將有其他太陽觀測航天器和探空火箭陪伴，它們將從地球大氣層觀測太陽。美國宇航局計劃於 2025 年 4 月發射極化儀以統一日冕和日光層，或稱 PUNCH，它將對新生太陽風進行三維觀測，因為它在整個太陽系中生長和擴散。未來的航天器可能會在更高緯度重新訪問太陽，這對航天工程師來說是一個重大挑戰，但會讓太陽物理學家感到興奮。

“太陽物理學確實是一門非常年輕的科學，”科羅拉多州博爾德市空間系統研究公司的太陽物理學家麗莎·厄普頓說。“我們對太陽的大部分了解都是自太空時代黎明以來才學到的。”

太空探索使科學家，或至少是他們的機器人替身，能夠近距離訪問太陽。帕克太陽探測器如此靠近恆星，以至於研究人員有時會擔心航天器的健康狀況——但到目前為止，該探測器經受住了太陽投擲給它的任何東西。一次特別猛烈的爆發發生在 2023 年 3 月 12 日，當時帕克太陽探測器正對著太陽。在距離太陽表面僅 530 萬英里的地方航行——大約是焦土行星水星在其軌道上到達距離的六分之一——航天器的隔熱罩被烤焦。隱藏在它後面的靈敏儀器正在仔細取樣太陽的外層大氣。然後太陽釋放出異常快速、異常強大的帶電等離子體爆發。帕克探測器定位於直接穿過它。

太陽、地球、帕克太陽探測器和太陽軌道飛行器都對齊了日冕物質拋射 (CME)。地球上 40 多個天文臺同時進行觀測，構建了前所未有的事件景象，該事件像海浪拋擲小船一樣搖晃著航天器。“我們離太陽非常近，而且它非常強烈，我們能夠在加速計資料中看到這一點”，該資料展示了探測器的運動和振動，約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室 (APL) 帕克太陽探測器任務系統工程師吉姆·金尼森說。“我認為以前沒有人見過這種情況。”

CME 引發了地球上的空間天氣警報，因為這些帶電粒子排放會激發我們地球的上層大氣，干擾衛星和無線電通訊。帕克探測器看到了整個過程——從 CME 的產生，到它從太陽表面（或光球層）的發射，再到它在我們恆星和我們星球之間空間中的傳播。“我們認為我們有點了解這些 CME 的結構，但帕克太陽探測器向我們展示了我們獲得的詳細程度——它比我們想象的要複雜得多，”APL 帕克太陽探測器專案科學家努爾·勞菲說。“我們得出的結論是，我們擁有的所有這些事件的模型都無法解釋我們所看到的一切。”

正如地球一樣，太陽也包含分層。最深處是核心，太陽在那裡將氫聚變成氦和其他更重的元素。環繞這個球體的是輻射區，然後是對流區，它產生磁場。最外層是光球層（明亮的表面）、色球層、過渡區和日冕。這些都受到不同型別物理學的支配，從流體動力學和熱流到磁場和粒子加速。蒙大拿州立大學的物理學家查爾斯·坎克爾堡說，這種複雜性使得將太陽作為一個整體來研究非常困難。“時不時地，”他說，“我早上醒來，心想，‘當一名天體物理學家不是很好嗎？’因為我不會有這麼多東西要處理。”

湧入的新資料意味著科學家們終於可以構建一幅更完整的太陽工作原理圖。“我已經做了 20 多年了，突然感覺一切都變得有趣和令人興奮，而且這一切都在同時發生，”西頓說。“每天來辦公室真的很令人興奮，以前不是這樣的。”

科學家們認為太陽風起源於日冕，但他們並不完全確定具體在哪裡或如何起源。更重要的是，太陽風由兩種型別的風組成：首先是所謂的快速太陽風，它可以以每小時 170 萬英里的速度傳播並充滿日光層，其次是慢速風，它以每小時 70 萬英里的速度從赤道區域流出。（在太陽物理學中，“快”和“慢”等詞是相對的。）快速和慢速風包含不同的元素和不同數量的電子，這表明它們以不同的方式形成。兩者都與磁場有關。

這些磁場很複雜，因為太陽是帶電粒子的等離子體。當它在其核心中將氫燃燒成氦時，能量流向其表面，透過對流移動熱量。由於太陽在其赤道和兩極的旋轉速度不同，當磁場從其核心升起時，它們在這些太陽陣發中扭曲和捲曲。與具有固定極性的磁鐵不同，太陽的磁場就像一鍋沸水中旋轉的米粒。“磁場變得錯綜複雜，纏繞成這些非常複雜的、不直觀的配置，”厄普頓說。極性相反的磁場可以相互抵消並掉頭，向新的方向射出。當這種重新連線發生時，新的磁力線會產生巨大的力，就像被折斷的繃緊的橡皮筋一樣，這種力會將等離子體從太陽中拋射出來。

最近基於 NASA 和 ESA 資料的研究發現，交叉的磁力線有時會導致某些型別的扭結，釋放出 S 形波，將等離子體拋擲到周圍。這些回退被認為有助於產生慢速太陽風。此後不久，帕克團隊的科學家確定了磁重聯也可能如何導致快速太陽風。勞菲和他的同事表明，它的流動起源於日冕底部，來自稱為微射流的小型等離子體射流。2023 年晚些時候，太陽物理學家還發現了起源於日冕孔的粒子流，從而產生了快速風。慢速和快速太陽風之間的差異可能在於日冕孔內磁場的排列方式。

如果太陽風是一場傾盆大雨，那麼微射流就像構成整體流的單個液滴。微射流存在於磁力線潛入和彈出太陽的亮點中。總而言之，磁重聯過程、日冕孔和微射流使太陽風能夠穿過日冕並逃逸太陽的引力，從而形成快速太陽風。“這些我們不瞭解太陽的事情——額外的加熱、風達到這些高速的方式、這些奇怪的磁回退——實際上是非常密切相關的，”密歇根大學的太陽物理學家賈斯汀·卡斯珀說。“現在已經開始形成一種普遍的圖景。”

太陽並非透過一個簡單的過程產生日冕。西南研究所的太陽物理學家克雷格·德福雷斯特說，小的（再次強調，這是一個相對的術語）動態現象正在驅動太陽上更大規模、明顯的現象，我們可以很容易地觀察到這些現象，但並不瞭解。“我認為我們正在發現它們都是相互關聯的，”他說。“人們一直在猜測，但微射流的發現是確鑿的證據，表明這些小的、爆炸性的事件對日冕和太陽風很重要。”

然而，其他專家對微射流是否具有足夠的能量來加速太陽風持不同意見；NASA 戈達德太空飛行中心的天體物理學家朱迪·卡彭說，噴射的微射流可能構成快速太陽風的很大一部分，但它們可能不是太陽風產生的根源。“但重聯在所有這些中的作用似乎是非常普遍的特徵，”她說。坎克爾堡說，即使不能產生太陽風，微射流似乎也具有足夠的能量來維持太陽風的供給。微射流也可能導致日冕的極端高溫——這是另一個長期存在的謎團。科學家們懷疑磁重聯使日冕等離子體過熱，而微射流或相關現象（稱為奈米耀斑）等小規模現象可能在其中發揮作用。

太陽是一個粒子加速器，一個等離子體球，一個自持熱核反應堆，一場質量和能量的風暴，一切生命的源泉。我們能夠接近它——我們越來越接近理解它——這是一件奇妙的事情。研究太陽及其活動將許多科學學科聯絡起來，但它也將我們與其他行星聯絡起來。通過了解我們的母恆星，我們也開始瞭解宇宙中其他太遙遠而無法詳細檢查的姊妹恆星。戈達德太空飛行中心的太陽物理學家 C·亞歷克斯·楊說，這些研究甚至將幫助我們瞭解圍繞其他恆星的行星，反過來，它們也可能揭示我們太陽的情況。例如，科學家們希望他們對系外行星系統的研究將幫助他們瞭解我們的太陽在剛誕生時是什麼樣的，以及在約 50 億年後接近死亡時會是什麼樣的。

最終，如果我們能夠了解太陽的本質，我們將更好地瞭解自己，並理解我們存在的一個不可避免的核心事實的物理原因：太陽每天早晨升起，而且永遠都會升起。

編者注（5/6/24）：本文在釋出後經過編輯，以更正對太陽外層的描述。文字先前於 4 月 4 日進行了修訂，以更正對從太陽核心升起的磁場的描述。