日食将如何永远改变太阳科学

本文是特别报道的一部分，该报道关于 2024 年 4 月 8 日在美国、墨西哥和加拿大部分地区可见的日全食。

在 2024 年 4 月 8 日，北美一条 115 英里宽的地带将陷入黑暗。月球盘将滑到太阳前方，遮蔽太阳的表面，形成一个玫瑰色、蓬松的火焰冠冕，从墨西哥的马萨特兰到加拿大的纽芬兰都可见。这将是这一代人的最后一次奇观——下一次在北美各地可见的日全食将在 2044 年 8 月 23 日发生。

兴奋的不仅仅是观众。日食是科学家研究太阳日冕的最佳方法之一，当月球挡住我们明亮的恒星时，火环就会显现出来。这个特征仍然是太阳最神秘的部分之一。天文学家最初认为日冕是月球的一个特征——可能是阳光从月球大气层反射出来。但月球没有大气层。直到 1806 年，西班牙天文学家何塞·华金·德费雷尔才意识到它是太阳的一个特征，并将其命名为corona，西班牙语中“皇冠”的意思。[相关： 以下是观看 2024 年日全食的最佳地点]

支持科学新闻报道

如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您将有助于确保有关塑造我们今天世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。

我们现在知道日冕是太阳令人震惊的炽热外层大气。这个大气层释放出一种神秘的粒子“风”，偶尔还会以称为日冕物质抛射的翻滚能量包的形式释放出自身的一部分。然而，我们不知道的是这些事情是如何或为什么发生的。

4 月 8 日，天文学家将把他们的望远镜对准日冕，希望能解开这些现象的神秘面纱。他们将得到最近抵达太阳的两艘新航天器的帮助，这些航天器从日冕附近甚至内部收集数据。这些探测器，加上科学家们期望从日食中获得的见解，应该使今年成为自太阳物理学领域诞生以来最激动人心的时刻。

太阳物理学诞生于 1868 年 8 月的日全食期间。天文学家刚刚开始使用棱镜来研究光谱学，将太阳光分解成其组成颜色，以研究恒星的化学成分。太阳光谱包含条形码状的暗线，表明存在氢、钠和铁等元素。两位天文学家在 1868 年 8 月的日食期间独立捕捉到了太阳光谱，发现它包含一条新线，对应于一种新元素——第一个在地球之外发现的元素。他们以希腊太阳神赫利俄斯的名字将其命名为氦。

第二年，在另一次日全食期间，爱荷华州的天文学家在太阳光谱中看到了其他奇怪的东西：日冕中一条明亮的绿线，他们怀疑这属于一种新的化学元素。他们宣布发现了 coronium，仅在太阳光晕的辉煌紫粉色火焰中发现。又过了 70 年，另一位物理学家才正确地将 coronium 识别为一种奇怪形式的铁，它被电离了 13 次，这意味着它只有典型铁原子一半的电子。只有当铁原子在约 200 万华氏度的可怕坩埚中被烹饪过时，这种状态才有可能实现。然而，太阳的表面温度为 10,000 华氏度。这意味着日冕比发出热量和光线的表面热 200 倍。这就像坐在篝火前，座位比燃烧的木柴热 200 倍。科学家们一直在努力解释这种巨大的温差。“这就是现代太阳物理学的真正起点，”科罗拉多州博尔德市西南研究所的太阳物理学家丹·西顿说。“没有人想到太阳会存在百万度或更高的等离子体。这意味着什么？它的后果是什么？”

芝加哥大学的天体物理学家尤金·帕克用“微不足道的计算”来形容这一发现的最大后果。1958 年，帕克发现，如果日冕温度为 200 万度，流体动力学定律表明它必须产生恒定的粒子流出，最终速度将超过音速。帕克的想法遭到了抵制，但在 1962 年，水手 2 号宇宙飞船证实，这些被称为太阳风的粒子确实存在。科学家们仍然不完全理解为什么。不过，他们正开始获得答案，这要归功于包括一颗以帕克命名的宇宙飞船在内的两艘宇宙飞船。

NASA 于 2018 年发射的帕克太阳探测器是有史以来建造的最坚固的航天器之一。其 4.5 英寸厚的碳复合材料防晒罩可以承受近 2,500 华氏度和 280 万瓦的太阳能。其铰接式太阳能电池板可以缩回其后方以进行保护，其板载水基冷却系统吸收太阳能电池板的热量，然后将其辐射到太空。该探测器的设计目的是比人类有史以来建造的任何东西都更接近太阳，采样其大气层、风、磁场和光线。

2021 年，帕克太阳探测器成为第一艘飞过太阳日冕的航天器，从那时起，它已经进行了近 20 次近距离接近。在其为期七年的任务中，它将完成 24 次绕太阳轨道运行，利用金星的引力场将自身弹射到离太阳更近的地方。它的第七次也是最后一次金星飞掠定于 2024 年 11 月。西顿说，将帕克太阳探测器送入太阳表面，潜入百万度日冕，是一件疯狂、荒谬地冒险且几乎令人难以置信的事情。“这个东西能工作真是令人震惊。”

科学家们寄予厚望的第二艘航天器是太阳轨道飞行器，这是一艘欧洲航天局于 2020 年发射的探测器。它目前正在水星轨道内观测太阳——没有帕克探测器那么近，但足够近，可以研究日光层，这是一个太阳向各个方向吹出的带电粒子气泡，其边缘构成了我们太阳系的尽头。它是第一个详细研究太阳未开发极地区域的观测站，这些区域很难或不可能从地球上看到。

这两艘航天器是自 1961 年的探险者 10 号以来发射的约二十多艘太阳观测航天器中的最新一批；其中，除了地球上的许多太阳天文台外，还有 19 艘仍在运行。帕克太阳探测器和太阳轨道飞行器很快将有其他太阳观测航天器和探空火箭陪伴，它们将从地球大气层观测太阳。美国宇航局计划于 2025 年 4 月发射极化仪以统一日冕和日光层，或称 PUNCH，它将对新生太阳风进行三维观测，因为它在整个太阳系中生长和扩散。未来的航天器可能会在更高纬度重新访问太阳，这对航天工程师来说是一个重大挑战，但会让太阳物理学家感到兴奋。

“太阳物理学确实是一门非常年轻的科学，”科罗拉多州博尔德市空间系统研究公司的太阳物理学家丽莎·厄普顿说。“我们对太阳的大部分了解都是自太空时代黎明以来才学到的。”

太空探索使科学家，或至少是他们的机器人替身，能够近距离访问太阳。帕克太阳探测器如此靠近恒星，以至于研究人员有时会担心航天器的健康状况——但到目前为止，该探测器经受住了太阳投掷给它的任何东西。一次特别猛烈的爆发发生在 2023 年 3 月 12 日，当时帕克太阳探测器正对着太阳。在距离太阳表面仅 530 万英里的地方航行——大约是焦土行星水星在其轨道上到达距离的六分之一——航天器的隔热罩被烤焦。隐藏在它后面的灵敏仪器正在仔细采样太阳的外层大气。然后太阳释放出异常快速、异常强大的带电等离子体爆发。帕克探测器定位于直接穿过它。

太阳、地球、帕克太阳探测器和太阳轨道飞行器都对齐了日冕物质抛射 (CME)。地球上 40 多个天文台同时进行观测，构建了前所未有的事件景象，该事件像海浪抛掷小船一样摇晃着航天器。“我们离太阳非常近，而且它非常强烈，我们能够在加速计数据中看到这一点”，该数据展示了探测器的运动和振动，约翰·霍普金斯大学应用物理实验室 (APL) 帕克太阳探测器任务系统工程师吉姆·金尼森说。“我认为以前没有人见过这种情况。”

CME 引发了地球上的空间天气警报，因为这些带电粒子排放会激发我们地球的上层大气，干扰卫星和无线电通信。帕克探测器看到了整个过程——从 CME 的产生，到它从太阳表面（或光球层）的发射，再到它在我们恒星和我们星球之间空间中的传播。“我们认为我们有点了解这些 CME 的结构，但帕克太阳探测器向我们展示了我们获得的详细程度——它比我们想象的要复杂得多，”APL 帕克太阳探测器项目科学家努尔·劳菲说。“我们得出的结论是，我们拥有的所有这些事件的模型都无法解释我们所看到的一切。”

正如地球一样，太阳也包含分层。最深处是核心，太阳在那里将氢聚变成氦和其他更重的元素。环绕这个球体的是辐射区，然后是对流区，它产生磁场。最外层是光球层（明亮的表面）、色球层、过渡区和日冕。这些都受到不同类型物理学的支配，从流体动力学和热流到磁场和粒子加速。蒙大拿州立大学的物理学家查尔斯·坎克尔堡说，这种复杂性使得将太阳作为一个整体来研究非常困难。“时不时地，”他说，“我早上醒来，心想，‘当一名天体物理学家不是很好吗？’因为我不会有这么多东西要处理。”

涌入的新数据意味着科学家们终于可以构建一幅更完整的太阳工作原理图。“我已经做了 20 多年了，突然感觉一切都变得有趣和令人兴奋，而且这一切都在同时发生，”西顿说。“每天来办公室真的很令人兴奋，以前不是这样的。”

科学家们认为太阳风起源于日冕，但他们并不完全确定具体在哪里或如何起源。更重要的是，太阳风由两种类型的风组成：首先是所谓的快速太阳风，它可以以每小时 170 万英里的速度传播并充满日光层，其次是慢速风，它以每小时 70 万英里的速度从赤道区域流出。（在太阳物理学中，“快”和“慢”等词是相对的。）快速和慢速风包含不同的元素和不同数量的电子，这表明它们以不同的方式形成。两者都与磁场有关。

这些磁场很复杂，因为太阳是带电粒子的等离子体。当它在其核心中将氢燃烧成氦时，能量流向其表面，通过对流移动热量。由于太阳在其赤道和两极的旋转速度不同，当磁场从其核心升起时，它们在这些太阳阵发中扭曲和卷曲。与具有固定极性的磁铁不同，太阳的磁场就像一锅沸水中旋转的米粒。“磁场变得错综复杂，缠绕成这些非常复杂的、不直观的配置，”厄普顿说。极性相反的磁场可以相互抵消并掉头，向新的方向射出。当这种重新连接发生时，新的磁力线会产生巨大的力，就像被折断的绷紧的橡皮筋一样，这种力会将等离子体从太阳中抛射出来。

最近基于 NASA 和 ESA 数据的研究发现，交叉的磁力线有时会导致某些类型的扭结，释放出 S 形波，将等离子体抛掷到周围。这些回退被认为有助于产生慢速太阳风。此后不久，帕克团队的科学家确定了磁重联也可能如何导致快速太阳风。劳菲和他的同事表明，它的流动起源于日冕底部，来自称为微射流的小型等离子体射流。2023 年晚些时候，太阳物理学家还发现了起源于日冕孔的粒子流，从而产生了快速风。慢速和快速太阳风之间的差异可能在于日冕孔内磁场的排列方式。

如果太阳风是一场倾盆大雨，那么微射流就像构成整体流的单个液滴。微射流存在于磁力线潜入和弹出太阳的亮点中。总而言之，磁重联过程、日冕孔和微射流使太阳风能够穿过日冕并逃逸太阳的引力，从而形成快速太阳风。“这些我们不了解太阳的事情——额外的加热、风达到这些高速的方式、这些奇怪的磁回退——实际上是非常密切相关的，”密歇根大学的太阳物理学家贾斯汀·卡斯珀说。“现在已经开始形成一种普遍的图景。”

太阳并非通过一个简单的过程产生日冕。西南研究所的太阳物理学家克雷格·德福雷斯特说，小的（再次强调，这是一个相对的术语）动态现象正在驱动太阳上更大规模、明显的现象，我们可以很容易地观察到这些现象，但并不了解。“我认为我们正在发现它们都是相互关联的，”他说。“人们一直在猜测，但微射流的发现是确凿的证据，表明这些小的、爆炸性的事件对日冕和太阳风很重要。”

然而，其他专家对微射流是否具有足够的能量来加速太阳风持不同意见；NASA 戈达德太空飞行中心的天体物理学家朱迪·卡彭说，喷射的微射流可能构成快速太阳风的很大一部分，但它们可能不是太阳风产生的根源。“但重联在所有这些中的作用似乎是非常普遍的特征，”她说。坎克尔堡说，即使不能产生太阳风，微射流似乎也具有足够的能量来维持太阳风的供给。微射流也可能导致日冕的极端高温——这是另一个长期存在的谜团。科学家们怀疑磁重联使日冕等离子体过热，而微射流或相关现象（称为纳米耀斑）等小规模现象可能在其中发挥作用。

太阳是一个粒子加速器，一个等离子体球，一个自持热核反应堆，一场质量和能量的风暴，一切生命的源泉。我们能够接近它——我们越来越接近理解它——这是一件奇妙的事情。研究太阳及其活动将许多科学学科联系起来，但它也将我们与其他行星联系起来。通过了解我们的母恒星，我们也开始了解宇宙中其他太遥远而无法详细检查的姊妹恒星。戈达德太空飞行中心的太阳物理学家 C·亚历克斯·杨说，这些研究甚至将帮助我们了解围绕其他恒星的行星，反过来，它们也可能揭示我们太阳的情况。例如，科学家们希望他们对系外行星系统的研究将帮助他们了解我们的太阳在刚诞生时是什么样的，以及在约 50 亿年后接近死亡时会是什么样的。

最终，如果我们能够了解太阳的本质，我们将更好地了解自己，并理解我们存在的一个不可避免的核心事实的物理原因：太阳每天早晨升起，而且永远都会升起。

编者注（5/6/24）：本文在发布后经过编辑，以更正对太阳外层的描述。文本先前于 4 月 4 日进行了修订，以更正对从太阳核心升起的磁场的描述。