日全食為理解太陽大氣層提供罕見機會

我喜歡在日食期間置身戶外，享受宇宙在我周圍逐漸變暗，同時我的研究觀測也開始進行。很久以前，我曾經建議人們製作針孔投影儀，甚至使用廚房裡的乳酪刨絲器來觀看這些天文事件。但近年來，價格僅為一美元左右的偏食濾鏡的普及，使得此類建議過時了。現在，任何人都可以透過這樣的濾鏡抬頭看太陽，從全食開始前一個多小時開始，就能看到太陽圓盤上明顯被咬掉了一塊。在全食前的最後幾分鐘，你會注意到環境光的質量發生了變化，變得怪異起來。陰影變得清晰，因為它們是由一彎細細的陽光而不是整個太陽圓盤造成的。空氣變涼，微風吹拂。陰影帶可能會迅速掃過地面。

在最後幾秒，當月球完全移動到太陽前方時，只有幾束陽光從月球邊緣的山谷中洩漏出來，將太陽縮小成一道明亮的珠子弧。這些珠子逐漸消失，直到只剩下一顆——如此明亮，以至於它看起來像戒指上的鑽石，也許側面有一圈狹窄的紅色邊緣，月球輪廓周圍有一圈白色帶。然後，鑽石也消失了。你可以而且應該放下濾鏡，直接觀看太陽剩下的部分，那是太陽大氣層的一個區域，此前一直被藍天隱藏著。

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這是內日冕和中日冕，是從太陽表面噴射出來的等離子體羽流。它的亮度大約相當於滿月——比日常太陽暗一百萬倍——同樣可以用肉眼安全觀看。你最初瞥見日冕是在鑽石環的帶狀光芒中，然後你看到了它所有的輝煌：一個珍珠白的 газовое 暈圈，向外延伸到太陽半徑的幾倍。如果你幸運的話，你可能會看到一股強大的等離子體爆發到行星際空間。

但是，用語言描述日全食的意義究竟是什麼呢？它太令人震驚、太美麗了，以至於沒有人能夠充分描述它。人們在日食後經常走過來對我說，他們知道我曾試圖傳達這種激動人心的感覺，但我仍然未能盡善盡美。電視和電腦螢幕無法公正地呈現它。照片會壓縮動態範圍，並失去耀眼的對比度。當宇宙明顯變暗時，置身戶外，起初是逐漸變暗，然後在幾秒鐘內又額外變暗一萬倍，這完全讓人感到困惑。它喚起了人們對太陽被奪走的原始恐懼。

我第一次看到日食是在大學一年級時，我被迷住了。從那時起，我走遍世界各地觀看了 65 次日食（包括 33 次日全食）。我期待著 8 月 21 日的第 66 次日食，屆時全食路徑將自 1918 年以來首次橫跨美國西海岸至東海岸。

我捕捉這些天文事件不僅僅是為了好玩——日食為科學家提供了常規觀測無法比擬的觀測條件。雖然地面望遠鏡可以配備一個小的金屬錐體或圓盤——製成所謂的日冕儀——來按需遮擋太陽，但它們的人工日食不如真實的日食。即使從原始的高山觀測點來看，周圍的空氣分子也會使天空過於藍色和明亮。太空日冕儀必須不僅遮擋日常的太陽圓盤，還要遮擋它周圍的寬頻，否則太多的光線會散射到儀器內部。此外，任何望遠鏡的解析度都是有限的，並且會稍微模糊入射光。自然日食沒有這個問題，因為“望遠鏡”實際上是整個地月系統，具有極高的解析度。我們將地面觀測與航天器觀測聯絡起來，以獲得太陽的完整影像。只有在月球清晰的陰影中，我們才能在可見光中看到日冕的內層和中層部分。

正是在這些內部廣闊區域，我們尋求解答天體物理學中最令人困惑的難題之一：為什麼太陽的溫度會隨著你遠離其表面而升高？通常，當你遠離熱物體（例如篝火或蒸汽散熱器）時，溫度會下降。在太陽內部，溫度從中心 1500 萬攝氏度開始，並隨著你向外移動而穩步下降，降至太陽光球層（即向太空發射陽光的表面）的 5500 攝氏度。但是，趨勢隨後逆轉。可見表面正上方的稀薄氣體回升至 10000 攝氏度以上，並突然躍升至數百萬攝氏度。科學家們仍在爭論這種情況發生的細節。

自從我在 1973 年的《大眾科學》雜誌上首次描述太陽日冕科學以來，我們已經在觀測和理論方面取得了巨大的進步。現在，一支航天器編隊正在紫外線和 X 射線中監測太陽，這是我們無法從地面觀測到的，研究人員已經開發出精密的工具，將我們所有的觀測結果聯絡起來。我們知道日冕加熱問題解決方案的輪廓——它涉及到太陽的磁場——但細節仍然模糊不清。而這絕不是日冕向我們提出的唯一問題。即將到來的日食期間的觀測應該有助於解決這些問題。

太陽景觀

科學家們已經對太陽日冕有了很多瞭解。首先，它看起來像一隻巨大的豪豬。它被拉成細細的飄帶，其中一些飄帶底部較寬，並在較高的高度達到頂峰，就像尖尖的頭盔。它們形成的形狀隨太陽黑子週期而變化。

當黑子大量繁殖時，例如在 2012 年至 2014 年期間，飄帶甚至從北緯和南緯 30 度的高緯度地區爆發出來，因此日冕整體上呈現圓形。在太陽黑子極小期期間，例如我們目前所處的時期，日冕是矮胖的，我們看到的飄帶僅限於靠近太陽赤道的區域，並且在兩極出現細長、筆直的日冕柱。從飄帶之間的開放區域，一股被稱為太陽風的帶電粒子以每秒數百公里的速度向外逸出到太陽系，這可能是其他區域太陽風速度的兩倍。在日冕底部，錨定在太陽光球層上的是小的氣體環，可能由多個細絲組成，這些細絲太細了，我們目前的觀測無法辨別。這些日冕環可能會隨著波浪沿環或穿過環來回反彈而脈動。

所有這些精巧的複雜性都是太陽磁場的產物，太陽磁場源於太陽深處翻騰的氣體。然而，研究人員不知道的是，磁場動力學究竟是如何導致日冕的異常高溫的。我們知道磁場參與其中，因為磁過程不受熱力學限制的約束，而熱力學限制會阻止能量透過熱傳導從熱表面流向更熱的日冕。

爆炸還是波浪？

對於太陽磁場如何將其部分能量轉移到日冕中以加熱日冕，科學家們有兩種主要觀點。一種方式是透過極小的太陽耀斑。當磁場在其配置中發生突然變化時，會在幾秒鐘內發生這些爆炸。當你在太陽表面繪製磁場圖時，你會偶爾看到太陽黑子區域的北極性和南極性變得混亂。這種情況使磁場承受巨大的壓力，為了緩解這種壓力，兩個極性突然以一種新的方式連線起來，釋放出巨大的儲存能量。這種重聯在區域性將日冕加熱到 1000 萬攝氏度或更高，發出明亮的光芒，有時還會將等離子體噴射到太空。耀斑會襲擊繞地球執行的航天器，並可能對前往火星的宇航員構成嚴重風險。

我們觀察到的耀斑過於間歇性，無法解釋太陽大氣層的基線溫度，但微小到無法單獨探測到的爆炸是否也會衝擊日冕？美國宇航局戈達德太空飛行中心的詹姆斯·克利姆丘克尤其擁護這種納耀斑的觀點。每秒在日冕中爆發數百萬次小型爆炸，每次爆炸的能量只有大型耀斑的十億分之一，這將使日冕保持沸騰狀態。

主要的競爭理論是磁場中的振盪會加熱日冕。較低日冕中的振動環可能會震動周圍的氣體，從而升高其溫度。這些波浪可以採取多種形式。科學家們已經排除了由氣壓驅動的聲波，但由磁力或兩者混合驅動的阿爾芬波（稱為磁聲波）仍然是可行的。某種磁波是否足以將日冕溫度升高到數百萬攝氏度？

原則上，研究人員應該能夠透過測量日冕氣體的振盪來區分納耀斑機制和波浪機制。週期從大約 10 秒到幾分鐘的波動將暴露標準阿爾芬波沿日冕環的傳播。使用一種稱為日震學的技術對太陽表面振動的觀測表明，太陽有能力觸發這種波浪。儘管其最強的振盪發生在相對緩慢的約五分鐘週期內，但這些只是太陽表面經歷的眾多波動型別中的一種。

日食觀測對於測量日冕環中的波動至關重要。從地球觀測的後勤優勢使我們能夠使用比目前任何航天器都具有更高時間解析度的裝置。我的團隊使用快速讀出電荷耦合器件 (CCD)，每秒多次捕獲影像。相比之下，美國宇航局太陽動力學天文臺 (SDO) 上的大氣成像元件相機每 12 秒透過其 10 個濾光片範圍中的幾個進行觀測，而國家海洋和大氣管理局新型地球靜止業務環境衛星 (GOES-16) 上的太陽紫外成像儀在其六個濾光片中最多具有 10 秒的節奏。

我們迄今為止發現的擴充套件了可能性的領域。一些振盪的週期可能短於一秒，這與阿爾芬波特殊模式的理論預測相符，這種特殊模式沿著環的表面而不是穿過其內部傳播。但我們的資料很少：僅來自之前一對日全食的幾分鐘高節奏觀測。今年，我們將使用我們複雜的 CCD 裝置，配備色彩純度驚人的濾光片，來隔離熱日冕氣體，再次搜尋波浪的時間譜。我們希望我們的結果將幫助研究人員在日冕加熱的不同理論之間做出選擇，甚至引導他們得出結論，認為有幾種機制同時在起作用。在太陽黑子上方的活動區域中，耀斑發生的條件是有利的，而波浪則相對較弱。然而，在平靜區域，我們可能在小型環上有波浪，或者一直存在數萬億個納耀斑。

日食策略

科學家們已經設計了一些技巧，以最大限度地利用日食提供的特殊機會。日食觀測使我們能夠以高空間和時間解析度仔細檢查日冕的形狀。我們的地面日食影像在每個維度上顯示的細節都比最好的太空日冕儀精細約八倍。日食確實具有短暫和間歇性的缺點，但我們透過融合來自不同日食和單個日食期間不同站點的資料集來彌補。

例如，透過在完整的 11 年太陽活動週期內觀測日食，我們跟蹤日冕圓度的變化，這反映了不同緯度飄帶的分佈，並將它們與其他太陽活動測量值進行比較。我與斯洛伐克科學院的天文學家沃伊泰克·魯辛合作進行此類研究。雖然在日食期間，從任何給定地點觀察日冕的時間只有幾分鐘，但我們可以結合來自多個地點的觀測結果，以確定在月球陰影穿過地球的幾個小時內，日冕飄帶和柱狀物發生的變化。在 8 月 21 日的日食期間，我們甚至可能會透過公民科學家的觀測獲得從海岸到海岸的連續觀測。

結合多個日食影像的另一個原因是捕捉日冕的巨大亮度範圍。從多次曝光拍攝的單個影像中，我們可以挑選出曝光正確的片段，並一次合併十幾個片段。公認的計算機成像專家是捷克共和國布林諾理工大學的計算機科學家米洛斯拉夫·德魯克穆勒。鑑於日冕在太陽邊緣外側的亮度大約是在太陽半徑外側 1000 倍，我們必須從數十張不同的影像中選擇曝光最佳的部分並將它們組裝起來。使用來自過去日全食的此類合成影像——最近在印度尼西亞、斯瓦爾巴群島、加彭、澳大利亞和其他地方看到——我的團隊已經測量了日冕飄帶、極柱和物質噴射中的速度。我們希望在八月份大幅增加這些觀測。

另一個技巧是利用月球輪廓在日食期間逐漸逼近。當太陽黑子區域被月球邊緣覆蓋或暴露時，望遠鏡可能會看到太陽亮度的突然變化，從而使我們能夠精確定位細節。為了在今年獲得最高的空間解析度，我的團隊正在與新澤西理工學院的戴爾·加里、國家射電天文臺的蒂姆·巴斯蒂安和美國宇航局噴氣推進實驗室的湯姆·庫伊珀合作，使用射電望遠鏡來測量射電輻射的變化，這些射電輻射來自在月球覆蓋太陽時在各種頻率下可能可見的任何活動太陽黑子區域。即使這些望遠鏡不在全食路徑上，它們中的每一個仍然會覆蓋約 70% 的太陽圓盤。我們將使用位於加利福尼亞州的擴充套件歐文斯谷太陽陣列獲得最高解析度的射電觀測，該陣列具有 13 個連結的射電望遠鏡，將從 2.5 到 18 吉赫茲的數百個頻率連續觀測太陽。來自加利福尼亞州戈德斯通蘋果谷射電望遠鏡的較低解析度影像將透過填充背景來提高影像質量。我們應該能夠將日冕環中在這些射電波長下看到的增亮的確切位置與航天器在紫外線或 X 射線中發光的斑點相匹配，從而瞭解環是如何被加熱的。

光球層的磁場得到了很好的研究，但日冕的磁場卻遠非如此。為了糾正這個問題，哈佛-史密森天體物理學中心的埃德·德盧卡和哈佛大學研究生珍娜·薩姆拉與哈佛-史密森中心的太陽科學家萊昂·戈盧布以及位於科羅拉多州博爾德市的國家大氣研究中心 (NCAR) 的高海拔天文臺的菲利普·賈奇合作，計劃從 NCAR 灣流 V 飛機上跟蹤日食。從他們在吸收紅外線的厚厚大氣層之上的有利位置，他們將能夠測量紅外光譜線的強度，希望找到對磁場敏感的光譜線。

如果成功，他們計劃在以後的日食中再次飛行，並新增偏振濾光片以測量日冕磁場。透過分離出具有不同方向的光波，偏振測量有助於我們識別日冕的不同成分。我們在日全食期間用肉眼看到的日冕內層中部部分來自高度電離的氣體，這些氣體將普通陽光散射到我們這裡。這種散射使光偏振，並且由該過程引起的電子運動模糊了否則會侵入太陽彩虹光譜中的暗線。在日冕中更遠的地方，靠近水星軌道的地方，行星際空間中的塵埃將光線反射到我們這裡，但不會使其偏振或消除普通的太陽光譜。準備研究今年日食偏振的其他人員包括美國宇航局戈達德中心的納特·戈帕拉斯瓦米、高海拔天文臺的賈奇和史蒂文·湯姆奇克，以及空間科學研究所的帕德瑪·亞納曼德拉-費舍爾。在毛伊島上建造的丹尼爾·K·井上太陽望遠鏡於 2018 年開始觀測後，其儀器之一最終應該能夠透過研究紅外光譜線的偏振來直接測量日冕磁場。當美國宇航局的帕克太陽探測器於 2018 年發射時，它將飛越太陽日冕，並幫助解開日冕加熱中的不確定性。

全球努力

總而言之，這次日食期間的觀測工作將是真正巨大的，而我在這裡只觸及了皮毛。美國宇航局資助了 11 個提案，其中 6 個用於日冕研究，5 個與地球大氣對日食劇烈降溫的反應有關，這是我一直在與委內瑞拉安第斯大學的馬科斯·佩尼亞洛薩-穆裡略合作研究的主題。另一個利用日食研究日冕的美國主要研究小組由夏威夷大學天文研究所的莎迪婭·哈巴爾領導。她的團隊，她稱之為太陽風夏爾巴人，將透過選擇用於繪製不同溫度等離子體圖譜的濾光片對日冕進行成像。哈巴爾新的美國宇航局撥款支援增強該小組最近設計的雙通道成像攝譜儀，該攝譜儀已於 2015 年成功測試。來自地面和太空的各種觀測將提供迄今為止對紅外日冕、其光譜和偏振的最全面的研究。

在我在世界各地觀測到的 33 次日全食期間，我的團隊受益於國際合作。現在是我們回報熱情款待的時候了。我們期望巴黎天體物理研究所的塞爾日·庫奇米及其同事的高質量成像和分析將為研究八月日食做出貢獻。在我的團隊的站點，我們將與來自澳大利亞、斯洛伐克、希臘、日本、中國、伊朗和其他地方的同事會合。

公民科學家也將有很多機會為研究人員的日食工作做出貢獻。我參與了日食巨型電影專案，該專案總部位於加州大學伯克利分校的空間科學實驗室，由勞拉·佩蒂科拉斯領導。人們將能夠透過 Google 介面傳送影像，以便存檔並組裝成橫跨大陸的電影，公民科學家可以觀看和分析這些電影。與此類似，國家太陽天文臺的馬特·佩恩組織了公民大陸-美國伸縮日食 (Citizen CATE) 實驗，這是一項由大約 70 個站點組成、配備相同小型望遠鏡和 CCD 探測器的橫跨大陸的合作專案。

今年八月的一個不尋常的實驗與日冕無關；事實上，日冕會妨礙我們。亞瑟·愛丁頓在 1919 年的日食中著名地檢驗了愛因斯坦的廣義相對論。他尋找跡象表明太陽的質量正在彎曲其背後遙遠恆星的光線，這種效應實際上是由時空相對論彎曲引起的。幾十年來，我一直在告訴人們，我們在日全食時有比重複這個實驗更好的事情要做。畢竟，物理學家現在有更精確的方法來檢驗相對論。但事實證明，新的觀測能力可能會使今年日食的調查變得有用——或者至少很有趣。

退休的加利福尼亞州物理學家唐·布倫斯將進行此類觀測。他制定了複雜的計劃，透過測量許多夜間恆星影像來校準他的望遠鏡。比利時人讓-呂克·迪蓋耶在 2006 年日食期間嘗試使用數碼單反 (DSLR) 相機進行觀測——加州大學伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實驗室的卡爾頓·彭尼帕克和我曾試圖幫助分析——但失敗了，但那是使用商用單反相機的大畫素。我們希望天文 CCD 探測器的小畫素和精確校準能夠成功。路易斯安那州立大學的布拉德利·謝弗認為，現代成像儀具有足夠的解析度和靈敏度，可以超過過去測試的精度，他也將嘗試觀察這種效應。由於歐洲航天局蓋亞航天器剛剛釋出的星表，我們現在以極高的精度知道恆星的位置，因此我們可以尋找太陽引起的任何偏轉，而無需在望遠鏡上進行太多校準。

即將到來

8 月 21 日的日食將在太平洋日出時開始。全食在美國大陸俄勒岡州開始，偏食在美國、加拿大和墨西哥以及更南的南美洲可見。在約 90 分鐘後離開南卡羅來納州查爾斯頓附近後，日全食將在大西洋日落時結束，偏食在非洲西北部和歐洲西部可見。

假設天氣配合，科學家和公眾應該會印象深刻，甚至感到震撼。將地面日食結果與來自可見光、紫外線、X 射線和射電頻譜的衛星觀測相結合，將提供有史以來最完整的太陽大氣層檢視。

我們為太陽得出的任何結論也將適用於我們無法以相同細節看到的數十億和數萬億顆像太陽一樣的恆星。有些人可能會感到不安，即太陽——可以說是所有天體中研究得最好的——仍然如此不完全被理解。但我認為揮之不去的問題是一個絕妙的藉口，可以分享大自然中最偉大的體驗之一。

至於我，幾十年前，我忙於在全食期間拍照，以至於幾乎沒有時間抬頭觀看。但現在，藉助計算機自動化，我可以享受幾秒鐘來品味日食，同時相機咔噠作響，電子感測器將它們的資料上傳到計算機。我期待著從俄勒岡州觀看我的第 66 次日食。那些像我一樣眼花繚亂的人可以展望 2019 年和 2020 年在智利和阿根廷的日食，以及 2024 年將橫掃美國東部從德克薩斯州到緬因州的日全食。2023 年的環食將在北美和南美洲顯示偏食階段。