日全食为理解太阳大气层提供罕见机会

我喜欢在日食期间置身户外，享受宇宙在我周围逐渐变暗，同时我的研究观测也开始进行。很久以前，我曾经建议人们制作针孔投影仪，甚至使用厨房里的奶酪刨丝器来观看这些天文事件。但近年来，价格仅为一美元左右的偏食滤镜的普及，使得此类建议过时了。现在，任何人都可以通过这样的滤镜抬头看太阳，从全食开始前一个多小时开始，就能看到太阳圆盘上明显被咬掉了一块。在全食前的最后几分钟，你会注意到环境光的质量发生了变化，变得怪异起来。阴影变得清晰，因为它们是由一弯细细的阳光而不是整个太阳圆盘造成的。空气变凉，微风吹拂。阴影带可能会迅速扫过地面。

在最后几秒，当月球完全移动到太阳前方时，只有几束阳光从月球边缘的山谷中泄漏出来，将太阳缩小成一道明亮的珠子弧。这些珠子逐渐消失，直到只剩下一颗——如此明亮，以至于它看起来像戒指上的钻石，也许侧面有一圈狭窄的红色边缘，月球轮廓周围有一圈白色带。然后，钻石也消失了。你可以而且应该放下滤镜，直接观看太阳剩下的部分，那是太阳大气层的一个区域，此前一直被蓝天隐藏着。

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这是内日冕和中日冕，是从太阳表面喷射出来的等离子体羽流。它的亮度大约相当于满月——比日常太阳暗一百万倍——同样可以用肉眼安全观看。你最初瞥见日冕是在钻石环的带状光芒中，然后你看到了它所有的辉煌：一个珍珠白的 газовое 晕圈，向外延伸到太阳半径的几倍。如果你幸运的话，你可能会看到一股强大的等离子体爆发到行星际空间。

但是，用语言描述日全食的意义究竟是什么呢？它太令人震惊、太美丽了，以至于没有人能够充分描述它。人们在日食后经常走过来对我说，他们知道我曾试图传达这种激动人心的感觉，但我仍然未能尽善尽美。电视和电脑屏幕无法公正地呈现它。照片会压缩动态范围，并失去耀眼的对比度。当宇宙明显变暗时，置身户外，起初是逐渐变暗，然后在几秒钟内又额外变暗一万倍，这完全让人感到困惑。它唤起了人们对太阳被夺走的原始恐惧。

我第一次看到日食是在大学一年级时，我被迷住了。从那时起，我走遍世界各地观看了 65 次日食（包括 33 次日全食）。我期待着 8 月 21 日的第 66 次日食，届时全食路径将自 1918 年以来首次横跨美国西海岸至东海岸。

我捕捉这些天文事件不仅仅是为了好玩——日食为科学家提供了常规观测无法比拟的观测条件。虽然地面望远镜可以配备一个小的金属锥体或圆盘——制成所谓的日冕仪——来按需遮挡太阳，但它们的人工日食不如真实的日食。即使从原始的高山观测点来看，周围的空气分子也会使天空过于蓝色和明亮。太空日冕仪必须不仅遮挡日常的太阳圆盘，还要遮挡它周围的宽带，否则太多的光线会散射到仪器内部。此外，任何望远镜的分辨率都是有限的，并且会稍微模糊入射光。自然日食没有这个问题，因为“望远镜”实际上是整个地月系统，具有极高的分辨率。我们将地面观测与航天器观测联系起来，以获得太阳的完整图像。只有在月球清晰的阴影中，我们才能在可见光中看到日冕的内层和中层部分。

正是在这些内部广阔区域，我们寻求解答天体物理学中最令人困惑的难题之一：为什么太阳的温度会随着你远离其表面而升高？通常，当你远离热物体（例如篝火或蒸汽散热器）时，温度会下降。在太阳内部，温度从中心 1500 万摄氏度开始，并随着你向外移动而稳步下降，降至太阳光球层（即向太空发射阳光的表面）的 5500 摄氏度。但是，趋势随后逆转。可见表面正上方的稀薄气体回升至 10000 摄氏度以上，并突然跃升至数百万摄氏度。科学家们仍在争论这种情况发生的细节。

自从我在 1973 年的《大众科学》杂志上首次描述太阳日冕科学以来，我们已经在观测和理论方面取得了巨大的进步。现在，一支航天器编队正在紫外线和 X 射线中监测太阳，这是我们无法从地面观测到的，研究人员已经开发出精密的工具，将我们所有的观测结果联系起来。我们知道日冕加热问题解决方案的轮廓——它涉及到太阳的磁场——但细节仍然模糊不清。而这绝不是日冕向我们提出的唯一问题。即将到来的日食期间的观测应该有助于解决这些问题。

太阳景观

科学家们已经对太阳日冕有了很多了解。首先，它看起来像一只巨大的豪猪。它被拉成细细的飘带，其中一些飘带底部较宽，并在较高的高度达到顶峰，就像尖尖的头盔。它们形成的形状随太阳黑子周期而变化。

当黑子大量繁殖时，例如在 2012 年至 2014 年期间，飘带甚至从北纬和南纬 30 度的高纬度地区爆发出来，因此日冕整体上呈现圆形。在太阳黑子极小期期间，例如我们目前所处的时期，日冕是矮胖的，我们看到的飘带仅限于靠近太阳赤道的区域，并且在两极出现细长、笔直的日冕柱。从飘带之间的开放区域，一股被称为太阳风的带电粒子以每秒数百公里的速度向外逸出到太阳系，这可能是其他区域太阳风速度的两倍。在日冕底部，锚定在太阳光球层上的是小的气体环，可能由多个细丝组成，这些细丝太细了，我们目前的观测无法辨别。这些日冕环可能会随着波浪沿环或穿过环来回反弹而脉动。

所有这些精巧的复杂性都是太阳磁场的产物，太阳磁场源于太阳深处翻腾的气体。然而，研究人员不知道的是，磁场动力学究竟是如何导致日冕的异常高温的。我们知道磁场参与其中，因为磁过程不受热力学限制的约束，而热力学限制会阻止能量通过热传导从热表面流向更热的日冕。

爆炸还是波浪？

对于太阳磁场如何将其部分能量转移到日冕中以加热日冕，科学家们有两种主要观点。一种方式是通过极小的太阳耀斑。当磁场在其配置中发生突然变化时，会在几秒钟内发生这些爆炸。当你在太阳表面绘制磁场图时，你会偶尔看到太阳黑子区域的北极性和南极性变得混乱。这种情况使磁场承受巨大的压力，为了缓解这种压力，两个极性突然以一种新的方式连接起来，释放出巨大的存储能量。这种重联在局部将日冕加热到 1000 万摄氏度或更高，发出明亮的光芒，有时还会将等离子体喷射到太空。耀斑会袭击绕地球运行的航天器，并可能对前往火星的宇航员构成严重风险。

我们观察到的耀斑过于间歇性，无法解释太阳大气层的基线温度，但微小到无法单独探测到的爆炸是否也会冲击日冕？美国宇航局戈达德太空飞行中心的詹姆斯·克利姆丘克尤其拥护这种纳耀斑的观点。每秒在日冕中爆发数百万次小型爆炸，每次爆炸的能量只有大型耀斑的十亿分之一，这将使日冕保持沸腾状态。

主要的竞争理论是磁场中的振荡会加热日冕。较低日冕中的振动环可能会震动周围的气体，从而升高其温度。这些波浪可以采取多种形式。科学家们已经排除了由气压驱动的声波，但由磁力或两者混合驱动的阿尔芬波（称为磁声波）仍然是可行的。某种磁波是否足以将日冕温度升高到数百万摄氏度？

原则上，研究人员应该能够通过测量日冕气体的振荡来区分纳耀斑机制和波浪机制。周期从大约 10 秒到几分钟的波动将暴露标准阿尔芬波沿日冕环的传播。使用一种称为日震学的技术对太阳表面振动的观测表明，太阳有能力触发这种波浪。尽管其最强的振荡发生在相对缓慢的约五分钟周期内，但这些只是太阳表面经历的众多波动类型中的一种。

日食观测对于测量日冕环中的波动至关重要。从地球观测的后勤优势使我们能够使用比目前任何航天器都具有更高时间分辨率的设备。我的团队使用快速读出电荷耦合器件 (CCD)，每秒多次捕获图像。相比之下，美国宇航局太阳动力学天文台 (SDO) 上的大气成像组件相机每 12 秒通过其 10 个滤光片范围中的几个进行观测，而国家海洋和大气管理局新型地球静止业务环境卫星 (GOES-16) 上的太阳紫外成像仪在其六个滤光片中最多具有 10 秒的节奏。

我们迄今为止发现的扩展了可能性的领域。一些振荡的周期可能短于一秒，这与阿尔芬波特殊模式的理论预测相符，这种特殊模式沿着环的表面而不是穿过其内部传播。但我们的数据很少：仅来自之前一对日全食的几分钟高节奏观测。今年，我们将使用我们复杂的 CCD 装置，配备色彩纯度惊人的滤光片，来隔离热日冕气体，再次搜索波浪的时间谱。我们希望我们的结果将帮助研究人员在日冕加热的不同理论之间做出选择，甚至引导他们得出结论，认为有几种机制同时在起作用。在太阳黑子上方的活动区域中，耀斑发生的条件是有利的，而波浪则相对较弱。然而，在平静区域，我们可能在小型环上有波浪，或者一直存在数万亿个纳耀斑。

日食策略

科学家们已经设计了一些技巧，以最大限度地利用日食提供的特殊机会。日食观测使我们能够以高空间和时间分辨率仔细检查日冕的形状。我们的地面日食图像在每个维度上显示的细节都比最好的太空日冕仪精细约八倍。日食确实具有短暂和间歇性的缺点，但我们通过融合来自不同日食和单个日食期间不同站点的数据集来弥补。

例如，通过在完整的 11 年太阳活动周期内观测日食，我们跟踪日冕圆度的变化，这反映了不同纬度飘带的分布，并将它们与其他太阳活动测量值进行比较。我与斯洛伐克科学院的天文学家沃伊泰克·鲁辛合作进行此类研究。虽然在日食期间，从任何给定地点观察日冕的时间只有几分钟，但我们可以结合来自多个地点的观测结果，以确定在月球阴影穿过地球的几个小时内，日冕飘带和柱状物发生的变化。在 8 月 21 日的日食期间，我们甚至可能会通过公民科学家的观测获得从海岸到海岸的连续观测。

结合多个日食图像的另一个原因是捕捉日冕的巨大亮度范围。从多次曝光拍摄的单个图像中，我们可以挑选出曝光正确的片段，并一次合并十几个片段。公认的计算机成像专家是捷克共和国布尔诺理工大学的计算机科学家米洛斯拉夫·德鲁克穆勒。鉴于日冕在太阳边缘外侧的亮度大约是在太阳半径外侧 1000 倍，我们必须从数十张不同的图像中选择曝光最佳的部分并将它们组装起来。使用来自过去日全食的此类合成图像——最近在印度尼西亚、斯瓦尔巴群岛、加蓬、澳大利亚和其他地方看到——我的团队已经测量了日冕飘带、极柱和物质喷射中的速度。我们希望在八月份大幅增加这些观测。

另一个技巧是利用月球轮廓在日食期间逐渐逼近。当太阳黑子区域被月球边缘覆盖或暴露时，望远镜可能会看到太阳亮度的突然变化，从而使我们能够精确定位细节。为了在今年获得最高的空间分辨率，我的团队正在与新泽西理工学院的戴尔·加里、国家射电天文台的蒂姆·巴斯蒂安和美国宇航局喷气推进实验室的汤姆·库伊珀合作，使用射电望远镜来测量射电辐射的变化，这些射电辐射来自在月球覆盖太阳时在各种频率下可能可见的任何活动太阳黑子区域。即使这些望远镜不在全食路径上，它们中的每一个仍然会覆盖约 70% 的太阳圆盘。我们将使用位于加利福尼亚州的扩展欧文斯谷太阳阵列获得最高分辨率的射电观测，该阵列具有 13 个链接的射电望远镜，将从 2.5 到 18 吉赫兹的数百个频率连续观测太阳。来自加利福尼亚州戈德斯通苹果谷射电望远镜的较低分辨率图像将通过填充背景来提高图像质量。我们应该能够将日冕环中在这些射电波长下看到的增亮的确切位置与航天器在紫外线或 X 射线中发光的斑点相匹配，从而了解环是如何被加热的。

光球层的磁场得到了很好的研究，但日冕的磁场却远非如此。为了纠正这个问题，哈佛-史密森天体物理学中心的埃德·德卢卡和哈佛大学研究生珍娜·萨姆拉与哈佛-史密森中心的太阳科学家莱昂·戈卢布以及位于科罗拉多州博尔德市的国家大气研究中心 (NCAR) 的高海拔天文台的菲利普·贾奇合作，计划从 NCAR 湾流 V 飞机上跟踪日食。从他们在吸收红外线的厚厚大气层之上的有利位置，他们将能够测量红外光谱线的强度，希望找到对磁场敏感的光谱线。

如果成功，他们计划在以后的日食中再次飞行，并添加偏振滤光片以测量日冕磁场。通过分离出具有不同方向的光波，偏振测量有助于我们识别日冕的不同成分。我们在日全食期间用肉眼看到的日冕内层中部部分来自高度电离的气体，这些气体将普通阳光散射到我们这里。这种散射使光偏振，并且由该过程引起的电子运动模糊了否则会侵入太阳彩虹光谱中的暗线。在日冕中更远的地方，靠近水星轨道的地方，行星际空间中的尘埃将光线反射到我们这里，但不会使其偏振或消除普通的太阳光谱。准备研究今年日食偏振的其他人员包括美国宇航局戈达德中心的纳特·戈帕拉斯瓦米、高海拔天文台的贾奇和史蒂文·汤姆奇克，以及空间科学研究所的帕德玛·亚纳曼德拉-费舍尔。在毛伊岛上建造的丹尼尔·K·井上太阳望远镜于 2018 年开始观测后，其仪器之一最终应该能够通过研究红外光谱线的偏振来直接测量日冕磁场。当美国宇航局的帕克太阳探测器于 2018 年发射时，它将飞越太阳日冕，并帮助解开日冕加热中的不确定性。

全球努力

总而言之，这次日食期间的观测工作将是真正巨大的，而我在这里只触及了皮毛。美国宇航局资助了 11 个提案，其中 6 个用于日冕研究，5 个与地球大气对日食剧烈降温的反应有关，这是我一直在与委内瑞拉安第斯大学的马科斯·佩尼亚洛萨-穆里略合作研究的主题。另一个利用日食研究日冕的美国主要研究小组由夏威夷大学天文研究所的莎迪娅·哈巴尔领导。她的团队，她称之为太阳风夏尔巴人，将通过选择用于绘制不同温度等离子体图谱的滤光片对日冕进行成像。哈巴尔新的美国宇航局拨款支持增强该小组最近设计的双通道成像摄谱仪，该摄谱仪已于 2015 年成功测试。来自地面和太空的各种观测将提供迄今为止对红外日冕、其光谱和偏振的最全面的研究。

在我在世界各地观测到的 33 次日全食期间，我的团队受益于国际合作。现在是我们回报热情款待的时候了。我们期望巴黎天体物理研究所的塞尔日·库奇米及其同事的高质量成像和分析将为研究八月日食做出贡献。在我的团队的站点，我们将与来自澳大利亚、斯洛伐克、希腊、日本、中国、伊朗和其他地方的同事会合。

公民科学家也将有很多机会为研究人员的日食工作做出贡献。我参与了日食巨型电影项目，该项目总部位于加州大学伯克利分校的空间科学实验室，由劳拉·佩蒂科拉斯领导。人们将能够通过 Google 界面发送图像，以便存档并组装成横跨大陆的电影，公民科学家可以观看和分析这些电影。与此类似，国家太阳天文台的马特·佩恩组织了公民大陆-美国伸缩日食 (Citizen CATE) 实验，这是一项由大约 70 个站点组成、配备相同小型望远镜和 CCD 探测器的横跨大陆的合作项目。

今年八月的一个不寻常的实验与日冕无关；事实上，日冕会妨碍我们。亚瑟·爱丁顿在 1919 年的日食中著名地检验了爱因斯坦的广义相对论。他寻找迹象表明太阳的质量正在弯曲其背后遥远恒星的光线，这种效应实际上是由时空相对论弯曲引起的。几十年来，我一直在告诉人们，我们在日全食时有比重复这个实验更好的事情要做。毕竟，物理学家现在有更精确的方法来检验相对论。但事实证明，新的观测能力可能会使今年日食的调查变得有用——或者至少很有趣。

退休的加利福尼亚州物理学家唐·布伦斯将进行此类观测。他制定了复杂的计划，通过测量许多夜间恒星图像来校准他的望远镜。比利时人让-吕克·迪盖耶在 2006 年日食期间尝试使用数码单反 (DSLR) 相机进行观测——加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的卡尔顿·彭尼帕克和我曾试图帮助分析——但失败了，但那是使用商用单反相机的大像素。我们希望天文 CCD 探测器的小像素和精确校准能够成功。路易斯安那州立大学的布拉德利·谢弗认为，现代成像仪具有足够的分辨率和灵敏度，可以超过过去测试的精度，他也将尝试观察这种效应。由于欧洲航天局盖亚航天器刚刚发布的星表，我们现在以极高的精度知道恒星的位置，因此我们可以寻找太阳引起的任何偏转，而无需在望远镜上进行太多校准。

即将到来

8 月 21 日的日食将在太平洋日出时开始。全食在美国大陆俄勒冈州开始，偏食在美国、加拿大和墨西哥以及更南的南美洲可见。在约 90 分钟后离开南卡罗来纳州查尔斯顿附近后，日全食将在大西洋日落时结束，偏食在非洲西北部和欧洲西部可见。

假设天气配合，科学家和公众应该会印象深刻，甚至感到震撼。将地面日食结果与来自可见光、紫外线、X 射线和射电频谱的卫星观测相结合，将提供有史以来最完整的太阳大气层视图。

我们为太阳得出的任何结论也将适用于我们无法以相同细节看到的数十亿和数万亿颗像太阳一样的恒星。有些人可能会感到不安，即太阳——可以说是所有天体中研究得最好的——仍然如此不完全被理解。但我认为挥之不去的问题是一个绝妙的借口，可以分享大自然中最伟大的体验之一。

至于我，几十年前，我忙于在全食期间拍照，以至于几乎没有时间抬头观看。但现在，借助计算机自动化，我可以享受几秒钟来品味日食，同时相机咔哒作响，电子传感器将它们的数据上传到计算机。我期待着从俄勒冈州观看我的第 66 次日食。那些像我一样眼花缭乱的人可以展望 2019 年和 2020 年在智利和阿根廷的日食，以及 2024 年将横扫美国东部从德克萨斯州到缅因州的日全食。2023 年的环食将在北美和南美洲显示偏食阶段。