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(guó)全境,，到大西洋上結(jié)束。整個(gè)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(guó)內(nèi)則無緣得見（無法親臨現(xiàn)場(chǎng)的讀者可在網(wǎng)上觀看直播哦~）,。

△ 8月21日美國(guó)日全食將歷史大約1小時(shí)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(yáng)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(shí)，人們將可以觀賞并體驗(yàn)到發(fā)生在宇宙舞臺(tái)的一場(chǎng)精妙絕倫的短暫演出,。對(duì)于天文愛好者來說,，這是一場(chǎng)決不容錯(cuò)過的盛宴，而對(duì)于科學(xué)家而言,，這場(chǎng)歷時(shí)約90分鐘的演出將是他們進(jìn)行科學(xué)研究的千載難逢的機(jī)會(huì),。

當(dāng)月球把太陽(yáng)完全遮擋住時(shí)，一系列的望遠(yuǎn)鏡,、光譜儀和偏光鏡將直接瞄準(zhǔn)那些我們平時(shí)無法觀測(cè)的部分,。過去，日食是我們觀測(cè)那部分太陽(yáng)的唯一途徑,。也許你會(huì)好奇,，今天我們有空間望遠(yuǎn)鏡能夠在不同的波長(zhǎng)下24小時(shí)觀測(cè)太陽(yáng)，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(cè)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(duì)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(yáng)大氣的最外層——日冕有關(guān),，它是諸多太陽(yáng)物理現(xiàn)象的發(fā)源地，比如太陽(yáng)風(fēng)和日冕物質(zhì)拋射,。這是為什么NASA此次資助的11個(gè)項(xiàng)目中有6個(gè)都是跟日冕有關(guān),。

通常情況下,，日冕只有在日食的時(shí)候才能被觀測(cè)到，但平時(shí)我們也可以借助日冕儀（在望遠(yuǎn)鏡上加上遮光板）來?yè)踝√?yáng)的光芒以研究日冕,。不過日冕儀有一些缺點(diǎn),，比如為了防止太多的光子進(jìn)入儀器，望遠(yuǎn)鏡所配備的擋板通常要比太陽(yáng)圓盤更大,，但這樣就會(huì)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(yáng)擋住時(shí),，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(duì)研究太陽(yáng)物理如此重要的原因。

△ 空間望遠(yuǎn)鏡利用日冕儀將太陽(yáng)的光芒擋住,，就可以觀測(cè)到日冕,，這張照片是由空間望遠(yuǎn)鏡SOHO太陽(yáng)天文臺(tái)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(gè)月都會(huì)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(gè)位置,，決定了我們的觀測(cè)時(shí)間,。這次的日全食留給地面觀測(cè)者的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)~90分鐘（各地觀測(cè)者只有兩分鐘的時(shí)間）！當(dāng)所有兩分鐘的數(shù)據(jù)加起來的時(shí)候,，就變成了一次~90分鐘的事件,。為了完美的利用這段時(shí)間，美國(guó)國(guó)家天文臺(tái)的Matt Penn發(fā)起了CATE計(jì)劃[1],，邀請(qǐng)自愿者加入到這次的觀測(cè)事件中。

△ 公民CATE實(shí)驗(yàn),。（圖片來源：NSO）

 2. 日食期間,，動(dòng)植物的行為會(huì)有變化嗎？ 

在日食發(fā)生的期間,，我們時(shí)常會(huì)聽到動(dòng)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(cè)報(bào)告，但是都非常局限,。

△ 日食期間,，動(dòng)植物會(huì)以為是夜幕降臨么,？（圖片來源：DARIOS44）

一個(gè)叫做“Life Responds”日食計(jì)劃[2]的發(fā)言人Elise Ricard對(duì)此表示：“關(guān)于動(dòng)物，甚至是植物,，對(duì)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(huì)帶來改變,，特別是智能手機(jī)的廣泛應(yīng)用,，人們可以更方便的記錄他們的對(duì)動(dòng)植物的觀測(cè)。今年,，加州科學(xué)院就號(hào)召公民科學(xué)能夠通過一個(gè)叫iNaturalist的App[3]記錄下他們對(duì)動(dòng)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(huì)有什么變化嗎,？

△ 大氣層中的電子會(huì)被太陽(yáng)光從原子中剝離，產(chǎn)生電離層,。但是在日全食期間,，這個(gè)過程將會(huì)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(huì)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(yáng),，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(yáng)輻射，原子和分子中的電子會(huì)被剝離（或離子化）,，就會(huì)產(chǎn)生電離層,。電離層會(huì)吸收來自太陽(yáng)的紫外輻射，保護(hù)地面的生命不受傷害,，可以說它是生命之所以存在于這個(gè)星球的原因之一,。此外，電離層也是北極光上演的舞臺(tái),，它在GPS信號(hào)和無線電通訊中都扮演著至關(guān)重要的角色,。

在沒有陽(yáng)光的照射下，電離層會(huì)停止離子化,。自由帶負(fù)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(huì)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(hào)召自愿者加入到“Eclipse Mob”[4]的計(jì)劃之中，收集當(dāng)太陽(yáng)被完全擋住時(shí)電離層的反應(yīng)的數(shù)據(jù),?？茖W(xué)家也將會(huì)考察日食對(duì)GPS信號(hào)的影響。

△ 大約150名的Eclipse Mob實(shí)驗(yàn)的參與者將收到一個(gè)小無線電接收器的DIY工具箱,。這是一個(gè)完整的電路,，可以插入智能手機(jī)的耳機(jī)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(jī)發(fā)出的信號(hào)，并記錄在日食期間和前后的信號(hào)的強(qiáng)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(guó)時(shí)間21日上午,，兩架噴氣式飛機(jī)將從休斯頓的約翰遜航天中心起飛[5],，以每小時(shí)750公里的速度追逐月球的影子。飛機(jī)上攜帶的儀器將專注于觀測(cè)太陽(yáng)系中的另一員：水星,。飛機(jī)在黑暗之中呼嘯而過的短暫時(shí)間內(nèi),，這些儀器將會(huì)收集到足夠的數(shù)據(jù)回答關(guān)于水星的一個(gè)謎題：水星表面的內(nèi)層是由什么組成的？

△ NASA的“信使號(hào)”環(huán)繞水星的4年時(shí)間里,，揭露了很多水星表面的細(xì)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(yáng)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?yàn)闃O端的溫度和輻射會(huì)威脅任何靠的太近的航天器,。而且太陽(yáng)的亮度也會(huì)阻礙信號(hào)從航天器上發(fā)送回地球。

2011-2015年期間,，NASA發(fā)射的“信使號(hào)”環(huán)繞著水星運(yùn)行進(jìn)行考察,。但“信使號(hào)”只能觸及表面，并通過一個(gè)叫“反射分光計(jì)”的儀器分析水星的成分,。信使號(hào)測(cè)量了水星表面波長(zhǎng)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(zhǎng)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(yáng)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(jì)的紅外攝影機(jī),，可以探測(cè)的波長(zhǎng)為3 - 5微米之間的光,。兩架噴氣式飛機(jī)上將攜帶大量的儀器，它們所處于的高度和速度有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：更少的大氣干擾和更多的時(shí)間處于日全食之下（飛機(jī)將在400秒的時(shí)間內(nèi)處于完全黑暗之下）,。

△ 望遠(yuǎn)鏡被安裝在噴氣式飛機(jī)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(huì)釋放波長(zhǎng)為4.1微米的光,，正好是儀器探測(cè)的范圍。給定水星表面任何一點(diǎn),，當(dāng)它旋轉(zhuǎn)避開太陽(yáng)時(shí),，溫度會(huì)下降至零下179攝氏度。測(cè)量水星在多快的時(shí)間內(nèi)會(huì)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(yàn)證廣義相對(duì)論嗎,？

1915年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論,，并預(yù)言了太陽(yáng)的引力將會(huì)彎曲它周圍的時(shí)空,。在日食期間，太陽(yáng)背后的恒星的位置跟平日夜晚里沒有太陽(yáng)時(shí)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(duì)論經(jīng)受住了所有的檢驗(yàn)。

△ 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(yàn)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(shí)驗(yàn)只被重復(fù)了六次,，上一次是在1973年。之前的測(cè)試都是用了照相底片,，而且測(cè)量恒星的位置的精確度從未超過10%,。如果恒星的位置實(shí)際上在非常微弱的程度上偏離了愛因斯坦的預(yù)測(cè)，之前的實(shí)驗(yàn)是無法測(cè)量到這個(gè)差異的,。

但現(xiàn)在的技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了想象,，任何一個(gè)人都能做的比之前的實(shí)驗(yàn)好上10倍。其中數(shù)碼相機(jī)的進(jìn)步是關(guān)鍵,。除了能夠快速拍攝大量照片外,，攝像機(jī)還配有CCD,，可以將數(shù)千個(gè)像素壓縮到一個(gè)微型的芯片上。這樣就可以在不需要大型攝像機(jī)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(jī)會(huì)重現(xiàn)史上最偉大的科學(xué)實(shí)驗(yàn)之一,。而我們可以預(yù)期，Schaefer將再次驗(yàn)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(chǎng)嗎,？

日全食發(fā)生的時(shí)候，太陽(yáng)的纖細(xì)大氣層被帶到了聚光燈之下,。這個(gè)區(qū)域被稱為日冕,，通常都太過暗淡無法直接觀測(cè)。日冕的熾熱等離子體是一個(gè)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(shí)候,，其中的一個(gè)冕環(huán)會(huì)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(duì)準(zhǔn)地球時(shí),，會(huì)觸發(fā)極光的產(chǎn)生，或破壞衛(wèi)星,，摧毀電網(wǎng),。

△ 太陽(yáng)的磁場(chǎng)與日冕的磁場(chǎng)相連接，但日冕的磁場(chǎng)弱的多,，因此難以觀測(cè),。他們相互糾纏形成一個(gè)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(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),。理解太陽(yáng)的內(nèi)在磁場(chǎng)是理解和預(yù)測(cè)日冕活動(dòng)的關(guān)鍵。令人驚訝的是,，盡管我們對(duì)太陽(yáng)表面的磁場(chǎng)已經(jīng)有足夠的理解,，但是我們對(duì)日冕的弱磁場(chǎng)卻知之甚少。為了全面理解日冕,，我們就必須先理解磁場(chǎng),，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(zhǎng)介于1到4微米的紅外光下觀測(cè)日冕,。當(dāng)鎂、鐵、硫或硅等重元素失去一個(gè)電子到周圍的熱等離子體時(shí),，就會(huì)釋放出這些波長(zhǎng)的光。不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)會(huì)使這些電子會(huì)特殊的方式旋轉(zhuǎn),。當(dāng)光朝地球傳播時(shí),，這些螺旋會(huì)改變光的方向。為了探索磁場(chǎng),，科學(xué)家就必須測(cè)量這個(gè)方向（或偏振）,。

屆時(shí)，科學(xué)家有足夠的時(shí)間去獲取紅外光譜,。這次各個(gè)科研團(tuán)隊(duì)在日食期間測(cè)量的光譜將不會(huì)立即被轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)的強(qiáng)度或形狀,，但這些測(cè)量會(huì)幫助我們確定哪些波長(zhǎng)是最容易觀測(cè)的。這也將為正在建設(shè)的未來望遠(yuǎn)鏡指明方向,。

 7. 太陽(yáng)風(fēng)來自哪里,？

△ 太陽(yáng)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(guó)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(yáng)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(yáng)風(fēng)”,，它在太陽(yáng)系生命的形成中起到直接的作用,。有科學(xué)家認(rèn)為，它是導(dǎo)致火星逐漸喪失大氣層的罪魁禍?zhǔn)?span>[7],。地球面臨著同樣的威脅,，幸好被地球的強(qiáng)磁場(chǎng)保護(hù)著。

但是科學(xué)家還無法理解太陽(yáng)風(fēng)運(yùn)作的一些關(guān)鍵細(xì)節(jié),。它起源于太陽(yáng)表面和大氣層相遇的區(qū)域,。就像地球上的風(fēng)一樣，太陽(yáng)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(yáng)風(fēng)的速度是最快的。但沒有人知道為什么太陽(yáng)風(fēng)如此變化無常,。

△ 加強(qiáng)版的太陽(yáng)風(fēng),，帶電粒子離開太陽(yáng)后，彌漫在整個(gè)太陽(yáng)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(gè)理想的機(jī)會(huì)來捕捉太陽(yáng)風(fēng)在內(nèi)冕的活動(dòng),。戈達(dá)德太空飛行中心的Nat Gopalswamy和他的同事將在日全食期間測(cè)試一種最新版本的“偏振計(jì)”，該新儀器是專門設(shè)計(jì)來測(cè)量離開太陽(yáng)的電子的溫度和速度的,。測(cè)量將從接近太陽(yáng)表面開始,，向外一直延伸到560萬公里左右。

 8. 太陽(yáng)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(yáng)最難以捉摸的大氣層——日冕,。在那里，物質(zhì)的密度只有太陽(yáng)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(yáng)最冷的地方。如果你也這么想,，那就大錯(cuò)特錯(cuò)了,。