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美國日全食很多科學家要去看,為何它很重要?

美國日全食很多科學家要去看,為何它很重要?

摘要:

進入8月下旬,無數天文愛好者嚮往的日子即將來臨。美國當地時間8月21日,寬度為112公里的日全食帶將掃過美國北部的14個州,全食帶地區的天空將暫時變得如同有滿月的夜晚一般。這是時隔近40年後,日全食再度「光顧」美國本土。這是讓許多人嚮往的場景。而在天文學家眼裡,它不僅僅是一場難得而又壯觀的天象。

資料圖

在日食期間,科學觀測可以得到許多平時看不到的、有趣而重要的現象。歷史上,科學家正是利用這個難得的機會,更新了人類對自己母恆星的認識。

太陽光芒退避,色球現身

太陽是太陽系的中心天體,占太陽系總體質量的99.86%。按照由里往外的順序,太陽是由核心、輻射區、對流層、光球層、色球層、日冕層構成。光球層之下稱為太陽內部,光球層之上稱為太陽大氣。

1860年7月18日的西班牙日全食期間,英國天文愛好者家德拉瑞拍攝下第一張銀版日全食照片,並認為突出於月輪外的「紅色火焰」來自太陽,即太陽日珥。

由於色球的光比較弱,平時被光球的光掩蓋。1868年10月,英國天文學家洛基爾首次在有日光的條件下,觀測到了日珥光譜。進而認識到太陽光球層外面有一層稀薄的大氣——色球層。色球是太陽光球層上約兩千多公里厚的大氣層,溫度從6000到20000攝氏度。色球層和日珥一樣,主要由氫和氦氣組成。色球層中最強的譜線由氫元素產生,呈粉紅色,色球(chromosphere)也因此得名。

一次日全食包括初虧、食既、食甚、生光和復圓五個階段。在食既前和生光后的短暫瞬間,光球的光被月球擋住,色球發出了紅色的亮光,被稱為閃光光譜。雲南天文台研究員屈中權帶領的觀測組在2008年8月1日酒泉的日全食期間觀測到了許多的帶有強線偏振的閃光光譜。

捕捉日珥光譜,發現「太陽元素」

1868年8月18日的日全食期間,法國天文學家詹森(Janssen)在當時的英屬印度剛托,從突出日輪邊緣以外的日珥觀測到一條黃色譜線,波長為587.49納米。起初許多科學家認為是鈉元素產生的一條光譜線。然而太陽日珥是由氫元素組成的熾熱氣體,不可能產生金屬鈉的譜線。

仍然是英國天文學家洛基爾,仍然是1868年10月,他在沒有日全食的日光下成功的觀測到了日珥的光譜,同時也確定了這條譜線不是鈉元素的譜線。洛基爾稱之為D3線,並認為產生D3的元素在太陽非常豐富,於是將這種元素命名為氦(Helium, Helios是希臘語,意為太陽)。

直到1995年,英國化學家拉姆賽發現地球上的鈾礦里也存在的氦氣。氦,這個原來的「太陽元素」終於被認證為地球的一個元素。1983年的日全食期間,紫金山天文台研究員尤建圻等觀測了氦線的閃光光譜。

神秘日冕綠線,引出未解難題

日冕是太陽大氣的最外層,厚度達到幾百萬公里以上,通常只有在日全食時或通過日冕儀才能看到。1879年8月7日日全食期間,楊(Yong)和哈克尼斯發現了一條新的非常亮的日冕譜線,波長是530.3納米。當時沒有找到地球上元素對應的譜線,於是將產生該譜線的元素稱為Coronium(冕元素)。直到1941瑞典天文學家艾德林確定這條綠色的日冕譜線是鐵離子(鐵原子失去了13個電子)產生的。

不同的元素之所以會形成不同的光譜,是因為其電子從能量較高的軌道躍遷到能量較低的定態軌道時,將多餘的能量以特定波長的光發射出去。

按照量子力學的規則,可以從譜線的波長反推出原子躍遷前後的軌道能量。然而,在地球的常溫環境下,形成日冕綠線的電子能級躍遷是不符合量子力學的規則的,被稱為「禁線」。只有在高達幾百萬攝氏度的高溫下,鐵粒子經過連續撞擊,原來禁止的躍遷被「允許」了。由此,科學家推斷日冕的溫度高達百萬攝氏度以上。

而太陽的經典模型表明,太陽的底層大氣——光球的溫度只有6000攝氏度。光球與日冕兩者間巨大的溫度差一直困惑著天文學家。如果日冕的熱量由來自光球層的傳導的話,將不符合熱力學第二定律。因為根據熱力學第二定律,熱量總是從高溫區域傳導到低溫區域。如何解釋日冕高溫的來源,即日冕加熱問題一直是困擾天體物理學家的太陽三大未解難題之一。

2008年8月1日,國家天文台副研究員包星明等在日全食期間觀測到了日冕和日珥的發射線,發現日珥及色球的溫度比日冕低很多。這些延伸到色球層以上的亮冕環,類似於從嚴寒的冰縫裡冒出的火焰。從衛星拍攝的極紫外影像也顯示活動區上方一直增亮的區域,其實是由一系列不同的亮環交替增亮形成的。因此,分析冕環的加熱機制或許是解釋日冕加熱問題一條重要途徑。

看見太陽後面的星星,驗證廣義相對論

與日全食有關的各種觀測中,這應該是最為著名的一個。

愛因斯坦在1915年發表的廣義相對論里,討論了相互有加速度的物體之間時空變化,並預言引力會使時空彎曲。天體的質量越大,引起的空間變形越嚴重。一個大質量天體的引力場會使其周圍的空間發生彎曲,形成「引力透鏡」。

1919年5月29日日全食期間,英國物理學家愛丁頓在非洲和南美洲觀測到了本來在太陽後面無法看到的天體,說明光線彎曲了,更準確地說是光線沿著彎曲的時空彎傳播,從而在觀測上驗證了廣義相對論。

1997年漠河日全食、2008年西部、2009年長江流域的日全食期間,學者湯克雲研究員等也開展了類似的工作。

八月日全食,科學家準備好了

日全食期間,月亮將在38萬公里以外擋住太陽光球的強光,這期間對太陽的科學觀測可能有意想不到的新發現。因此各國科學家都將即將到來的日全食視作探析太陽奧秘的「天賜良機」。

針對這次日全食,美國國家航空航天局和美國國家科學基金委支持了飛機上觀測日全食的近紅外光譜項目。從地球上看,此次日全食持續最長時間為2分鐘40秒。科學家將利用飛機「追蹤」,將觀測日全食的時間提高到7分鐘以上。

科學家則集結在美國俄勒岡州,對太陽日冕磁場展開較為精密的觀測。

日冕磁場是產生太陽劇烈活動從而影響空間天氣的源頭,也是解開日冕加熱難題的鑰匙。但是,日冕磁場的測量是迄今為止沒有完成的任務。日全食提供了最小雜散光的環境,為日冕磁場測量提供了絕佳的機會。

由中科院雲南天文台和北京大學組成的觀測團隊帶來了四架望遠鏡,將共同完成精細測量日冕磁場和其他物理以及日冕物質精細結構的任務。其中,中科院雲南天文台帶來的第一代光纖陣列太陽光學望遠鏡FASOT-1A是這次觀測的主力。這是一台口徑304mm反射式望遠鏡,將對日冕磁場輻射強度和偏振強度進行測量。

此外,四川理工學院也在美國俄勒岡州架起一台太陽半徑精確測量望遠鏡,希望通過採集日食開始時分和結束時間,以及月亮相對太陽運動速度來精確測定太陽半徑。

太陽是距離人類最近,也是人類了解最多的恆星。然而到目前為止,關於這顆恆星仍有許多未解之謎。這次橫跨美洲大陸的日全食將為廣大公眾和科學家進一步了解和研究太陽物理提供難得的機會。

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