今夜，我們即將迎來或許是科學(xué)史上最重要的一次日全食。這次的日全食將從太平洋開始，橫穿美國全境，到大西洋上結(jié)束。整個北美洲，南美洲北部、歐洲西北部也都可以看到日偏食。很可惜，在國內(nèi)則無緣得見（無法親臨現(xiàn)場的讀者可在網(wǎng)上觀看直播哦~）。
△ 8月21日美國日全食將歷史大約1小時半。位于出現(xiàn)日全食區(qū)域（黃色/橙色的區(qū)域）的人們將看到太陽完全消失不見大約兩分鐘，在日全食前后也將目睹大約90分鐘的日偏食。（圖片來源：E. OTWELL）
屆時，人們將可以觀賞并體驗到發(fā)生在宇宙舞臺的一場精妙絕倫的短暫演出。對于天文愛好者來說，這是一場決不容錯過的盛宴，而對于科學(xué)家而言，這場歷時約90分鐘的演出將是他們進行科學(xué)研究的千載難逢的機會。
當(dāng)月球把太陽完全遮擋住時，一系列的望遠鏡、光譜儀和偏光鏡將直接瞄準那些我們平時無法觀測的部分。過去，日食是我們觀測那部分太陽的唯一途徑。也許你會好奇，今天我們有空間望遠鏡能夠在不同的波長下24小時觀測太陽，那我們還可以從這次的日全食中獲得更重要的信息嗎？結(jié)果證明，有許多是我們可以做的?？茖W(xué)家希望通過觀測這次的日全食獲得更多的數(shù)據(jù)，找出解開下面一些問題的線索。
△ 日全食期間，NASA的11顆衛(wèi)星將執(zhí)行不同的任務(wù)，展開全方位的研究。（圖片來源：NASA）
1. 為什么今年的日全食對科學(xué)家而言如此重要？
研究人員所追求有的許多科學(xué)問題都跟太陽大氣的最外層——日冕有關(guān)，它是諸多太陽物理現(xiàn)象的發(fā)源地，比如太陽風(fēng)和日冕物質(zhì)拋射。這是為什么NASA此次資助的11個項目中有6個都是跟日冕有關(guān)。
通常情況下，日冕只有在日食的時候才能被觀測到，但平時我們也可以借助日冕儀（在望遠鏡上加上遮光板）來擋住太陽的光芒以研究日冕。不過日冕儀有一些缺點，比如為了防止太多的光子進入儀器，望遠鏡所配備的擋板通常要比太陽圓盤更大，但這樣就會擋住大部分內(nèi)冕的區(qū)域。此外，還有衍射等問題。而當(dāng)月球完全把太陽擋住時，就起了天然擋板的作用，避免了許多令人抓狂的問題。而且在地面上拍攝的日食圖像都要比空間日冕儀清晰上數(shù)倍。這也是為何日全食對研究太陽物理如此重要的原因。
△ 空間望遠鏡利用日冕儀將太陽的光芒擋住，就可以觀測到日冕，這張照片是由空間望遠鏡SOHO太陽天文臺拍攝的，可以清楚的在右上角看到日冕物質(zhì)拋射。（圖片來源：LASCO C2/SOHO, NASA, ESA）
日全食一般每18個月都會出現(xiàn)，它們并不是什么罕見的事件。而月球的影子投射在地球表面的哪個位置，決定了我們的觀測時間。這次的日全食留給地面觀測者的時間長達~90分鐘（各地觀測者只有兩分鐘的時間）！當(dāng)所有兩分鐘的數(shù)據(jù)加起來的時候，就變成了一次~90分鐘的事件。為了完美的利用這段時間，美國國家天文臺的Matt Penn發(fā)起了CATE計劃[1]，邀請自愿者加入到這次的觀測事件中。
△ 公民CATE實驗。（圖片來源：NSO）
2. 日食期間，動植物的行為會有變化嗎？
在日食發(fā)生的期間，我們時常會聽到動物界的許多奇聞異事，比如鳥兒突然安靜下來，蜜蜂回到自己的蜂巢，蟋蟀唧唧的叫等等。過去也有很多誘人的觀測報告，但是都非常局限。
△ 日食期間，動植物會以為是夜幕降臨么？（圖片來源：DARIOS44）
一個叫做“Life Responds”日食計劃[2]的發(fā)言人Elise Ricard對此表示：“關(guān)于動物，甚至是植物，對日全食的反應(yīng)的相關(guān)研究很少?！?而這次的日全食或許會帶來改變，特別是智能手機的廣泛應(yīng)用，人們可以更方便的記錄他們的對動植物的觀測。今年，加州科學(xué)院就號召公民科學(xué)能夠通過一個叫iNaturalist的App[3]記錄下他們對動植物的行為的觀察，希望能夠收集到前所未有的信息。
3. 日食期間，地球的大氣層會有什么變化嗎？
△ 大氣層中的電子會被太陽光從原子中剝離，產(chǎn)生電離層。但是在日全食期間，這個過程將會終止。（圖片來源：NASA）
有這么一群人，無論是晴天還是下雨，他們都會在日食期間打開無線電接收器。他們所感興趣的目標(biāo)并不是太陽，而是距離地球表面75 - 1000公里上空的電離層。這部分大氣層由于受到太陽輻射，原子和分子中的電子會被剝離（或離子化），就會產(chǎn)生電離層。電離層會吸收來自太陽的紫外輻射，保護地面的生命不受傷害，可以說它是生命之所以存在于這個星球的原因之一。此外，電離層也是北極光上演的舞臺，它在GPS信號和無線電通訊中都扮演著至關(guān)重要的角色。
在沒有陽光的照射下，電離層會停止離子化。自由帶負電的電子開始重新和帶正電的離子結(jié)合，中和大氣中的電荷。由于四處亂竄的自由電子大量減少，電離層會以不同的方式反射無線電波。我們大概知道這是怎么發(fā)生的，但不精確，因此通過日全食，科學(xué)家能夠深入的研究這其中的奧妙。喬治梅森大學(xué)的George Mason和她的同事號召自愿者加入到“Eclipse Mob”[4]的計劃之中，收集當(dāng)太陽被完全擋住時電離層的反應(yīng)的數(shù)據(jù)?？茖W(xué)家也將會考察日食對GPS信號的影響。
△ 大約150名的Eclipse Mob實驗的參與者將收到一個小無線電接收器的DIY工具箱。這是一個完整的電路，可以插入智能手機的耳機接口。其他參與者則需要自制接收器。當(dāng)天，參與者將接收到無線電發(fā)射機發(fā)出的信號，并記錄在日食期間和前后的信號的強度。（圖片來源：K.C. KERBY-PATEL）
4. 日食期間，能否幫助我們揭開水星表面之謎？
美國時間21日上午，兩架噴氣式飛機將從休斯頓的約翰遜航天中心起飛[5]，以每小時750公里的速度追逐月球的影子。飛機上攜帶的儀器將專注于觀測太陽系中的另一員：水星。飛機在黑暗之中呼嘯而過的短暫時間內(nèi)，這些儀器將會收集到足夠的數(shù)據(jù)回答關(guān)于水星的一個謎題：水星表面的內(nèi)層是由什么組成的？
△ NASA的“信使號”環(huán)繞水星的4年時間里，揭露了很多水星表面的細節(jié)。2017年的日全食將更深入的挖掘該行星的表面成分。（圖片來源：NASA）
由于水星離太陽太近，從地球上研究它是很困難的一件事。另外，我們也很難在近處觀察它，因為極端的溫度和輻射會威脅任何靠的太近的航天器。而且太陽的亮度也會阻礙信號從航天器上發(fā)送回地球。
2011-2015年期間，NASA發(fā)射的“信使號”環(huán)繞著水星運行進行考察。但“信使號”只能觸及表面，并通過一個叫“反射分光計”的儀器分析水星的成分。信使號測量了水星表面波長小于1微米的反射光，發(fā)現(xiàn)了水星含有驚人數(shù)量的硫和鉀。但這些波長只來自水星表面頂端的幾微米處，在那之下的成分完全是未知的。
為了深挖水星的表面，太陽物理學(xué)家Amir Caspi和行星科學(xué)家Constantine Tsang和他們的同事將利用特別設(shè)計的紅外攝影機，可以探測的波長為3 - 5微米之間的光。兩架噴氣式飛機上將攜帶大量的儀器，它們所處于的高度和速度有兩個優(yōu)勢：更少的大氣干擾和更多的時間處于日全食之下（飛機將在400秒的時間內(nèi)處于完全黑暗之下）。
△ 望遠鏡被安裝在噴氣式飛機的鼻子上，試圖找出水星地面下的成分。（圖片來源：Amir Caspi）
水星的光面表面溫度為425攝氏度，它會釋放波長為4.1微米的光，正好是儀器探測的范圍。給定水星表面任何一點，當(dāng)它旋轉(zhuǎn)避開太陽時，溫度會下降至零下179攝氏度。測量水星在多快的時間內(nèi)會失去熱量能夠幫助研究人員找出水星表面下的材料是由什么構(gòu)成的，以及密度又是多少。Caspi表示，他們正在嘗試制作水星表面的第一張熱像圖。
5. 利用日食可以驗證廣義相對論嗎？
1915年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論，并預(yù)言了太陽的引力將會彎曲它周圍的時空。在日食期間，太陽背后的恒星的位置跟平日夜晚里沒有太陽時的位置不同。1919年，天文學(xué)家Arthur Eddington在日食期間拍攝的一組照片證明了愛因斯坦的理論是正確的，使愛因斯坦一夜之間成為了家喻戶曉的大物理學(xué)家。在過去的100年間，廣義相對論經(jīng)受住了所有的檢驗。
△ 天文學(xué)家Eddington在1919年5月的日食拍攝下這張照片，顯示了背景恒星的位置的偏離，驗證了愛因斯坦的新理論。（圖片來源：F.W. DYSON, A. S. EDDINGTON, AND C. DAVIDSON）
歷史上，Eddington的實驗只被重復(fù)了六次，上一次是在1973年。之前的測試都是用了照相底片，而且測量恒星的位置的精確度從未超過10%。如果恒星的位置實際上在非常微弱的程度上偏離了愛因斯坦的預(yù)測，之前的實驗是無法測量到這個差異的。
但現(xiàn)在的技術(shù)發(fā)展遠遠超出了想象，任何一個人都能做的比之前的實驗好上10倍。其中數(shù)碼相機的進步是關(guān)鍵。除了能夠快速拍攝大量照片外，攝像機還配有CCD，可以將數(shù)千個像素壓縮到一個微型的芯片上。這樣就可以在不需要大型攝像機的情況下拍攝高分辨率的圖像。路易斯安那州立大學(xué)的天體物理學(xué)家Bradley Schaefer將借這次機會重現(xiàn)史上最偉大的科學(xué)實驗之一。而我們可以預(yù)期，Schaefer將再次驗證愛因斯坦的理論。
6. 我們能夠在日食期間研究日冕的磁場嗎？
日全食發(fā)生的時候，太陽的纖細大氣層被帶到了聚光燈之下。這個區(qū)域被稱為日冕，通常都太過暗淡無法直接觀測。日冕的熾熱等離子體是一個向外輻射、不斷變化的冕狀結(jié)構(gòu)，充滿了羽狀和環(huán)形氣流。有時候，其中的一個冕環(huán)會折斷，并向太空中拋射高能的物質(zhì)，這被稱為日冕物質(zhì)拋射。當(dāng)爆發(fā)對準地球時，會觸發(fā)極光的產(chǎn)生，或破壞衛(wèi)星，摧毀電網(wǎng)。
△ 太陽的磁場與日冕的磁場相連接，但日冕的磁場弱的多，因此難以觀測。他們相互糾纏形成一個扭曲混亂的局面，這里用白線描述。（圖片來源：NASA/SDO）
這些帶電粒子的運動會產(chǎn)生磁場。理解太陽的內(nèi)在磁場是理解和預(yù)測日冕活動的關(guān)鍵。令人驚訝的是，盡管我們對太陽表面的磁場已經(jīng)有足夠的理解，但是我們對日冕的弱磁場卻知之甚少。為了全面理解日冕，我們就必須先理解磁場，它是一切的核心。
在日食期間，哈佛大學(xué)的應(yīng)用物理研究生Jenna Samra[6]和其他人將在波長介于1到4微米的紅外光下觀測日冕。當(dāng)鎂、鐵、硫或硅等重元素失去一個電子到周圍的熱等離子體時，就會釋放出這些波長的光。不同強度的磁場會使這些電子會特殊的方式旋轉(zhuǎn)。當(dāng)光朝地球傳播時，這些螺旋會改變光的方向。為了探索磁場，科學(xué)家就必須測量這個方向（或偏振）。
屆時，科學(xué)家有足夠的時間去獲取紅外光譜。這次各個科研團隊在日食期間測量的光譜將不會立即被轉(zhuǎn)化為磁場的強度或形狀，但這些測量會幫助我們確定哪些波長是最容易觀測的。這也將為正在建設(shè)的未來望遠鏡指明方向。
7. 太陽風(fēng)來自哪里？
△ 太陽風(fēng)觸發(fā)了地球大氣層中極光的產(chǎn)生。這張照片是在6月26日從國際空間站中拍攝的。（圖片來源：NASA）
帶電粒子流以每秒數(shù)百公里的速度不斷的從太陽飛出，并在傳播的途中轟擊脆弱的行星。這些帶電粒子流被稱作“太陽風(fēng)”，它在太陽系生命的形成中起到直接的作用。有科學(xué)家認為，它是導(dǎo)致火星逐漸喪失大氣層的罪魁禍首[7]。地球面臨著同樣的威脅，幸好被地球的強磁場保護著。
但是科學(xué)家還無法理解太陽風(fēng)運作的一些關(guān)鍵細節(jié)。它起源于太陽表面和大氣層相遇的區(qū)域。就像地球上的風(fēng)一樣，太陽風(fēng)也是陣風(fēng)，它在不同的區(qū)域有著不同的傳播速度。比如在在冕流空曠的區(qū)域流出的太陽風(fēng)的速度是最快的。但沒有人知道為什么太陽風(fēng)如此變化無常。
△ 加強版的太陽風(fēng)，帶電粒子離開太陽后，彌漫在整個太陽系。（圖片來源：CRAIG DEFOREST, SWRI）
這次的日全食給天文學(xué)家提供了一個理想的機會來捕捉太陽風(fēng)在內(nèi)冕的活動。戈達德太空飛行中心的Nat Gopalswamy和他的同事將在日全食期間測試一種最新版本的“偏振計”，該新儀器是專門設(shè)計來測量離開太陽的電子的溫度和速度的。測量將從接近太陽表面開始，向外一直延伸到560萬公里左右。
8. 太陽物理學(xué)最大的謎題：為什么日冕這么熱？
日全食，照亮了太陽最難以捉摸的大氣層——日冕。在那里，物質(zhì)的密度只有太陽表面的是萬億分之一，從它精致又透明的外表來看，很容易讓人以為那里應(yīng)該是太陽最冷的地方。如果你也這么想，那就大錯特錯了。
△ 研究太陽的方式有很多，這張圖片顯示了在不同的波段下（比如X-射線、可見光、紫外光等）研究太陽的各種性質(zhì)。在日全食期間，物理學(xué)家將采取所有的途徑來找出為何日冕如此炙熱的原因。（圖片來源：NASA GODDARD SPACE FLIGHT CENTER）
