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来源：环球科学 作者：杰伊·帕萨乔夫（Jay Pasachoff）翻译：马骁骁

北京时间8月22日凌晨，2017年日全食即将在美国上演。这次美国全境可见的日全食99年一遇，不仅是难得一见的奇景，也是珍贵的科研机会。天文学家杰伊·帕萨乔夫讲述了他在数十次日全食的观测过程中，探究太阳温度之谜的故事。

“钻戒”效应：在太阳被完全遮挡前后，来自太阳光球层的光线穿过月球表面的峡谷来到地球，形成类似钻戒的形状。

我喜欢在日食的时候来到户外，一边享受着世界变黑的过程，一边进行观察研究。很久以前，我会建议别人制作小孔成像装置，或者用厨房里的干酪擦板观赏日食。不过近年来，仅需1美元即可买到的日偏食滤光片逐渐流行，这样的建议也就过时了。如今任何人都可以用这种滤光片看着太阳，从日食开始到太阳完全被遮住的这一个多小时中，慢慢观察太阳被一点点遮住的情景。在太阳完全被挡住的前几分钟，你会注意到太阳周围的光发生了奇妙的变化，甚至有点诡异。由于此时日光仅来自太阳边缘，物体的影子变得十分尖锐。微风搅动着凉爽的空气，阴影在地上快速地摆来摆去。

月亮几乎完全遮住太阳的前几秒，只有几缕日光从月球表面的峡谷中穿过来，整个太阳似乎变成了一串珠子。这些亮珠慢慢失去光辉，直到只剩最后一个，仿佛戒指上嵌着一颗闪亮的钻石。有时候“钻石”两侧是红色的狭窄镶边，还有整个白色的“戒指环”套在月亮的轮廓之外。然后钻石也消失了，此刻你可以拿开滤光片直视太阳，而且我也推荐你这么做。平时被蓝天隐蔽的太阳大气一下出现在你眼前。

这是日冕的内层和中层，由从太阳表面飞出的等离子体构成。日冕的亮度和满月差不多，比正常日光暗100万倍，因此用裸眼观看也没有危险。乍一看，日冕就像是钻戒的金属环，不过仔细观察就能看到它的完整模样——像是从太阳表面延伸出来的珍珠色气体晕，其范围甚至比太阳半径还大数倍之多。假如你足够幸运，你甚至能看到等离子体喷射到宇宙空间的壮丽景象。

不过话说回来，我这么费力地描述日全食有什么意义呢？它的美丽是那么震撼人心，没人能找到合适的语言表达。每个看过日食的人都告诉我，虽然他们知道我已经尽力在抒发自己的激动之情，但相比真实观看的感受，我的语言还是太过苍白无力。电视转播和电脑屏幕也不能完全传递这美妙的感觉。因为照片不能准确反映动态的亮度变化，丢失了令人炫目的对比度。在户外感受世界变暗的过程是一种完全超乎常识的体验，天空的亮度先是缓慢变暗，接着在几秒内变成原来万分之一的亮度，几乎每个人都会感受到太阳被夺走的恐惧。

我在大学一年级的时候看了我人生中的第一次日食，从此我便被深深的迷住了。我在那之后一共到世界各地观看了65次日食，其中33次是日全食。我很期待今年的8月21日，那将是我的第66次日食体验。这次日全食的观察范围横跨了整个美国领土，这还是1918年以来的第一次。

我追逐日食并不仅仅是为了感官享受，还因为日食为科学家提供了平时无法得到的观测条件。虽然科学家可以给地面望远镜加上金属锥或遮光板制成所谓的日冕仪，用来观察太阳边缘，但这种人工日食的效果远不如真实日食好。即使在偏远的高海拔山区，周围的空气分子依然会让天空显得太蓝太亮。太空中的日冕仪也有其他问题，除了遮住整个太阳圆盘外，还需要遮住周围很宽的范围，不然会有太多光通过散射进入仪器。除此以外，每个望远镜的分辨率都是有限的，会让入射光变得有一点模糊。而天然日食就没有这个问题，因为此时的“望远镜”实际上是整个地月系统，分辨率极高。我们可以结合地面与太空的观测，得到一幅完整的太阳图像。只有在清凉的月影内，我们才能在可见光波段观察日冕的内部和中部。

我们希望在日冕的内部找到天体物理学中最费解的一个问题的答案：为什么离太阳表面越远的地方，温度反而越高。通常来说，热源，比如营火或暖气片周围的温度会随距离增大而降低。太阳中心的温度高达1500万摄氏度，向外逐渐降低，在太阳的光球层（向宇宙发射阳光的部位）附近降到5500摄氏度。可是接下来温度反而开始上升了。在光球层之上薄薄的一层气体中，温度回升到10 000摄氏度以上，接着又突然跃升到数百万摄氏度。目前，科学家对这种现象的成因依然没有定论。

从我第一次在1973年的《科学美国人》上描述日冕科学以来，科学家已经进行了大量观测，理论上也有了很多进展。太空中现在有许多望远镜在紫外波段和X射线波段持续对太阳进行观测，这些信息我们在地面是无法得到的。研究者还开发了各种复杂的工具，把不同的观测结果结合在一起。如今我们对日冕温度问题的解释有了一点眉目，我们知道这应该与太阳磁场有关，但具体细节我们还不清楚。日冕的谜团远不止这一个，即将到来的日食应该能帮助科学家在解决这些科学难题的道路上更进一步。

天文学家利用日食的机会研究太阳的大气层，因为仅当太阳主体被月亮挡住时，人们才有机会拍摄到太阳边缘的图像。日冕是由太阳表面喷射出的羽状或环形气流形成的气体晕。日冕的温度比太阳表面更高，科学界一直不知道该现象的原因。观测日食或许能帮助天文学家破解这个谜题。

科学家提出了两大类假说，试图解释日冕如何获得能量。研究者准备研究日食期间的日冕数据，计算出日冕气体的振动频率，并希望通过这些观测辨别两类假说哪种正确，又或者是否同时成立。

多变的太阳表面

科学家对日冕已有很多了解。首先，它看起来像一只巨大的豪猪，向外延伸出许多纤细的冕流，有一些底部较粗，在高处变细，像一个尖尖的头盔。这些冕流的形状随太阳活动周期变化。

2012年到2014年是太阳周期中太阳黑子较多的年份，盔状流爆发的位置可延伸至南北纬30度位置，因此日冕整体看起来是圆形。我们如今正处于太阳活动极小期，这个时期内的日冕呈扁平状，盔状流大多出现在太阳赤道附近，同时两极出现细直的冕羽。太阳表面有带电粒子飞入太阳系，也就是所谓的太阳风。在冕流之间的空旷区域流出的太阳风速度可达每秒数百千米，是其他区域的太阳风速的两倍。在日冕底部和太阳光球层的连接处，有着气体形成的小型环流，可能由目前观测手段难以分辨的细流组成。当波沿着或穿过冕环来回反弹时，这些冕环还可能发生脉动。

日冕的这些纷繁复杂的细节源自太阳深处的粒子流形成的磁场。但研究者还不知道磁场的变化是怎样让日冕温度变得如此之高的。我们之所以确定这和磁场相关，是因为与热传导不同，磁过程是不受热力学限制的，有可能让能量从低温的太阳表面流向高温的日冕区域。

2017年2月的日环食图片，本文作者摄于阿根廷巴塔哥尼亚高原。

爆炸还是波动？

对于太阳磁场如何把能量转送至日冕上方，科学家有两种猜测。一种方式是通过小型的耀斑。耀斑爆发出现在磁场发生剧烈变化之时，持续时间只有数秒。如果把太阳表面的磁场描绘出来，你可以看到在太阳黑子区域附近磁场的南北两极偶尔会混在一起。在此类情况下，磁场承受了巨大压力，为了把压力释放出来，磁场两极会以全新的方式突然连在一起，喷射出巨大能量。这样的磁重连过程会在局部区域把日冕加热到1000万摄氏度甚至更高，并发出明亮的闪光，有时还会向宇宙空间喷射等离子体。耀斑能摧毁绕地球运行的卫星和航天器，对去往火星的航天员也是巨大威胁。

我们观察到的耀斑仅是断断续续地发生，这不足以解释太阳大气的基础温度。会不会有一些难以被单独探测到的小型爆炸对日冕有影响呢？美国航空航天局（NASA）戈达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center）的詹姆斯·克利姆丘克（James Klimchuk）特别支持这种“小型耀斑”假说。该假说认为，日冕中每秒钟有数百万次小型爆炸，每次爆炸的能量约为一次大型耀斑的十亿分之一，这些小耀斑使日冕维持在极高温度。

和该假说并驾齐驱的另一个理论认为，磁场的振荡加热了日冕。日冕下层存在振动的环流，带动了周边的气体，并使其升温。这些波动有不同形式。科学家已经排除了由气压驱动的声波，不过由磁驱动的阿尔文波（Alfvén waves）和混合两种机制的磁声波仍有可能。和磁场相关的某种波足以把日冕加热至数百万度吗？

原则上说，通过测量日冕气体的振动，研究者可以分辨小型耀斑假说和波动假说。假如可以观察到周期为10秒到数分钟的波动，这就暗示存在沿着冕环传播的标准阿尔文波。研究者通过日震学技术观测太阳表面的振动，发现太阳的确可以触发产生这种波。尽管最强的振动模式周期略长，约为5分钟，但这也只是太阳表面众多振动模式中的一种。

日食观测对测量冕环波动十分关键。从地球观测有一大优势，人们可以使用时间分辨率比空间望远镜更高的观测设备。我的研究组使用快速读取电荷耦合器件（charge-coupled devices，简称CCD），能在一秒内捕捉数张图片。相比之下，空间设备就慢多了，NASA太阳动力学天文台（Solar Dynamics Observatory）的“大气成像组”（Atmospheric Imaging Assembly）照相机用了10组滤镜，每12秒进行一次观测。美国海洋和大气管理局的新静止环境观测卫星（Geostationary Operational Environmental Satellite）GOES-16上配备的“太阳紫外成像器”（Solar Ultraviolet Imager）用了6个滤镜，最快速度是10秒一次观测。

我们已有的发现拓展了理论的可能性。某些振动模式的周期小于1秒，和一种特殊模式的阿尔文波的理论预测一致，对应了在冕环表面而不是内部传播的波动。不过我们的数据还不充分：在之前的日全食中，只有两次观察到了这种高频振动，持续时间只有几分钟。今年我们将使用复杂的CCD设备，用波段极窄的滤光片分离炽热的日冕气体光谱，测量波动的频谱特性。我们希望观测结果能帮助研究者分辨出哪种理论能更好地解释日冕温度，又或者能证实这几种机制同时都起了作用。黑子上方的活跃区域很适合产生耀斑，而波动相对较弱。不过在安静的区域，我们或许能观测到小冕环上的波，或者千亿个永无休止的小耀斑。

日食追踪战术

科学家想出了一些办法，来最大限度地利用日食提供的观测机会。观察日食能让我们以很高的空间分辨率和时间分辨率仔细观察日冕的形状。地面上观察到的日食图像比最好的空间日冕仪还要清晰10倍。虽然日食每次时间都很短，而且两次之间要隔很久，但我们可以结合各次日食，或是不同地点对同一次日食的观测数据，一定程度上缓解这个困难。

例如，我们在一个完整的11年太阳活动周期内持续观测日食现象，跟踪了日冕形状的变化，分析它偏离球形的程度，这反映了冕流在不同纬度的分布。我们还拿这些结果与其他太阳活动观测进行比较。我和斯洛伐克科学院的天文学家沃伊泰克·鲁辛（Vojtech Rusin）合作进行了这些研究。尽管在每个观测点仅有数分钟观测时间，但我们能结合数个观测点的数据，记录到月球影子掠过地球的数小时内，太阳冕流和极羽的变化。而在8月21日的日食期间，我们甚至可以在普通观测者的帮助下，从西海岸到东海岸连续进行观测。

另一个需要组合多张日食照片的原因是，这样可以记录更大亮度范围内的日冕图像。从多次曝光得到的不同照片中，我们可以挑选出合适的组合到一起。在这个计算机成像领域，捷克布尔诺大学的计算机科学家米洛斯拉夫·德鲁肯米勒 （Miloslav Druckmüller）是最为著名的专家。日冕最内部接近太阳边缘的部位亮度最高，而向外经过一个太阳半径的距离后，亮度会降为1000分之一。要处理这样的亮度范围，我们需要选择数十张照片中每张照片里曝光最好的部分，然后拼接起来。最近几次日全食发生在印度尼西亚、斯瓦尔巴、加蓬、澳大利亚等地，我们从这几次日食得到的合成图片中测量了冕流、极羽和物质喷射的速度。我们希望8月的观测能有力地补充这一系列的观测。

我们还可以利用月亮渐渐遮住太阳的过程。当月亮经过太阳黑子时，黑子的突然出现或消失会使得太阳亮度出现突变，这一特点可用于精准确定细微结构的位置。为了得到超高分辨率的图像，今年我们团队与新泽西理工学院的戴尔·加里（Dale Gary）、美国国家射电天文台的蒂姆·巴斯琴（Tim Bastian）和NASA喷气推进实验室的汤姆·凯珀（Tom Kuiper）合作，观测多波段可见的活跃黑子区域。对于每个黑子区域，我们都将用射电望远镜测量其在月亮遮住太阳过程中的亮度变化。尽管这些望远镜位于全食带以外，但都能观测到约70%遮挡的日偏食。我们将从加利福尼亚州的增容欧文斯谷太阳阵列（Expanded Owens Valley Solar Array）得到最高分辨率的射电观测，该望远镜阵列整合了13个射电望远镜对太阳进行连续观测，覆盖了从2.5GHz到18GHz的数百个波段。加利福尼亚州的另一个望远镜——金石苹果谷射电望远镜（Goldstone Apple Valley Radio Telescope）分辨率稍低，但可通过填充背景提高图像质量。我们能够把这些射电波段观测得到的冕环亮点的精确位置，与紫外和X射线波段观测到的亮点位置匹配上，从而了解这些冕环的加热过程。

学术界对光球层的磁场研究较多，但对日冕的了解就要少得多。因此，哈佛-史密森尼天体物理中心埃德·德卢卡（Ed DeLuca）、利昂·戈卢布（Leon Golub）和哈佛大学的研究生詹娜·萨姆拉（Jenna Samra）、美国国家大气研究中心（NCAR）高纬度天文台的菲利普·贾奇（Philip Judge）合作，计划用NCAR的湾流五号飞机跟踪日食。因为飞机是在吸收红外线的大气层以外飞行，所以能够测量红外波段谱线的强度。他们希望能在其中找到对磁场敏感的谱线。

假如这次观测获得成功，他们还计划在下一次日食时搭载偏光滤镜再飞行一次，测量日冕磁场。偏光仪器把光波分为不同偏振方向，能帮助我们识别日冕的不同成分。日全食时用肉眼观察日冕内部，看到的是被高度电离的气体散射到我们这个方向的阳光。散射使光线偏振，而且这个过程导致的电子运动还会抹掉正常太阳光谱中本应存在的暗线。在日冕之外，接近水星轨道的位置，被星际空间中尘埃反射过来的光线则既不偏振，也不会抹掉太阳谱线。戈达德中心的纳特·高帕斯瓦米（Nat Gopalswamy）、贾奇、同在高纬度天文台的史蒂文·托姆奇克（Steven Tomczyk）和空间科学所的帕德马·亚娜曼德拉-费舍尔（Padma Yanamandra-Fisher）也准备利用今年的日食研究偏振光。建于毛伊岛的丹尼尔·井上太阳望远镜（Daniel K. Inouye Solar Telescope）将在2018年投入使用，它配备的设备之一能通过研究红外谱线的偏振直接测量日冕磁场。当NASA的帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）在2018年发射升空后，它会穿越日冕，帮助我们解开日冕温度之谜。

作者团队拍摄的2013年加蓬日全食的合成图片，可以看到色球层和日冕。

全世界的努力

一言以蔽之，这次日食能提供的天文数据十分重要，而我此处的介绍才仅仅触及皮毛。NASA资助了11个研究提案，其中6个和日冕研究相关，另外的5个则要研究日食带来的急速降温对地球大气的影响，关于这一课题我和委内瑞拉安第斯大学的马科斯·佩尼亚洛萨－穆里略（Marcos Pe?aloza-Murillo）也有过一些研究。美国另一个利用这次日食研究日冕的团队是夏威夷大学天文学研究所的莎迪雅·哈巴尔（Shadia Habbal）领导的。她的研究团队叫做“太阳风夏尔巴人”（Solar Wind Sherpas），将使用针对不同温度等离子体设计的滤光片对日冕成像。哈巴尔在NASA拿到了新的经费，用于改进她的小组最近设计的双通道成像光谱仪，该仪器在2015年测试成功。他们将在地面和空间对日食进行各种观测，这将成为迄今为止对红外波段的日冕（包括光谱和偏振）进行的最为详尽的研究。

在过去的33次日全食中，我到过世界上不同的角落，得到了很多国际同行的帮助。这次轮到我们回报他们的盛情了。我们期待在8月的日全食时和巴黎天体物理所（Institute of Astrophysics of Paris）的塞尔日·科契米（Serge Koutchmy）及他的同事合作，获得高质量的图像和分析结果。在我自己团队的观察点，也会迎来来自澳大利亚、斯洛文尼亚、希腊、日本、中国、伊朗等国家的同事。

科学爱好者也有丰富的机会加入到专业研究者进行的日食研究中。我参与了加利福尼亚大学伯克利分校空间科学实验室组织的“日食大电影”计划 （Eclipse Megamovie Project）。该计划由劳拉·派蒂克拉斯（Laura Peticolas）发起，人们可以通过谷歌提供的接口上传自己拍摄的日食图片和视频，这些内容会被存储并组合为一部横跨北美大陆的电影，供公众浏览和分析。和这个类似的还有美国国家太阳天文台的马特·佩恩（Matt Penn）组织的“全美公民日食记录”（Citizen Continental-America Telescopic Eclipse），这个活动组织了北美大陆上约70个观察点，用相同的小型望远镜和CCD探测器记录日全食。

8月还有一个不寻常的实验，和日冕无关，实际上日冕对这个实验反而是个麻烦。阿瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）在1919年利用日食验证了爱因斯坦的广义相对论，这是科学史上最著名的几个实验之一。广义相对论预测质量能引起时空扭曲，因此爱丁顿尝试验证掠过太阳表面的光线是否发生了偏转。多年以来，我一直和人们说，当日全食到来之时，除了重复爱丁顿的实验，还能做更有趣的事。毕竟物理学家现在有更精确的验证相对论的方法。不过现在看来，观测能力的进步让这个经典实验变得有用了，或者说，至少更有趣了。

已退休的物理学家唐·布伦斯（Don Bruns）准备再做一次这个实验。为了校准望远镜，他设计了精密的方案，需要拍摄很多夜间的星空图片。2006年日食期间，比利时的让-吕克·迪盖（Jean-Luc Dighaye）也尝试了类似的实验，他当时使用的是数码单反相机，加利福尼亚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（Carlton Pennypacker）和我还试着帮忙分析数据。不过那次实验没有成功，原因是商用单反相机的像素太大了。我们希望使像素更小且校准精度更高的天文级CCD探测器能成功。路易斯安娜州立大学的布拉德利·谢弗（Bradley Schaefer）认为，现代的成像设备拥有足够的分辨率和灵敏度，可以超越过去实验的精度，他将会尝试去观测广义相对论预言的效应。欧洲空间局的盖亚卫星最近刚刚发布了一组数据，提供了恒星位置的超精确数据，因此我们只需要对望远镜做更少调校即可观察太阳导致的空间扭曲。

日食即将来到

8月21日的日食起始于日出时的太平洋。美国领土上首先能观看到日全食的是俄勒冈州，同时加拿大、墨西哥以及南美可以看到日偏食。全食区域在离开南卡罗来纳州查尔斯顿附近90分钟后，在日落时分终止于大西洋，这段时间非洲西北部和欧洲西部能看到日偏食。

假如天气合适，科学家和普通民众将有幸经历这一壮观的事件，而且一定会感慨万千。结合地面和卫星的观测结果，我们将综合包括可见光、紫外线、X射线、射电波段在内的各种数据，得到迄今为止最完整的太阳大气数据。

对太阳的研究结论也适用于宇宙中亿万个类似于太阳的恒星，尽管我们不能对它们做细致的观测。太阳可以说是我们研究得最透彻的一个天体了，但我们对它的认识居然还这么浅薄，这或许会让一些人感到不快，但对我来说这倒是一个反复体验日食这一神奇现象的最好“借口”。

数十年前，我每次日全食的时候都在忙着拍照，都没有闲暇真正抬头看它一眼。现在好了，有了计算机的帮助，拍摄过程变得自动化，我终于能够享受日全食的那几秒，全身心地体味日食的魅力。与此同时，照相机自动按下快门，电子传感器把它们得到的数据上传到计算机。我很期待在俄勒冈迎来人生中第66次日食。假如你和我一样是日食迷，你可以开始考虑2019年和2020年的日食了，分别可在智利和阿根廷观察到。然后2024年还有一次横跨美国东部的日全食，从得克萨斯州一直到缅因州。2023年的日环食的部分过程也能在北美和南美观察到。