在日食期間天文學家試圖揭示太陽風的秘密

【博科園-科學科普】2012年夏威夷大學(University of Hawaii)的天文學家、教授哈巴巴爾(Habbal)前往澳大利亞北部觀看日全食，當時月球完全覆蓋了太陽的表面。在這段短暫的時間裡，當太陽盤完全消失在它的月球伴星之後，地球的一部分被陰影籠罩，在太陽通常看不見的大氣層中，熾熱的氣體噴射到空中觀察者那裡，它被認為是肉眼可見的最驚人的自然現象之一。

圖片：日食

但在2012年，哈布巴爾對美麗景色被雲層遮住了，同樣的事情發生在2013年，當時她前往肯亞，希望目睹另一次日全食。Habbal在2015年從斯瓦爾巴(北極圈以北的挪威群島)看到了日食的清晰景象，但她的觀點在2016年的印尼日食中再次被遮蔽。

Shadia Habbal調整設備，用來觀察日全食時太陽的大氣層。圖片：Shadia Habbal

當天氣破壞了他們的一天的準備，但是當哈比巴爾錯過了日全食時，她失去的不僅僅是一次偉大的經歷。作為一名在夏威夷大學的天文學家，她研究太陽風即一股從太陽表面流出的粒子流，這是一種持續的和風，並通過猛烈的噴發將物質噴射到太空中。Habbal說在日全食時，科學家最清楚地看到了太陽的低層大氣——日冕，太陽風從太陽表面形成。

在日全食時，你可以從太陽表面開始觀察到太陽半徑的幾倍。日全食是直接研究太陽風從太陽表面出現的唯一方法。試圖用人造儀器來複制日食的嘗試，要麼無法捕捉到所有現有的光的波長，要麼無法揭示太陽表面上方的區域。對於Habbal和她的同事來說，日全食提供了他們研究的機會。

避免太陽的災難

太陽是地球上大多數生命的基本能量來源，但它也對現代社會構成了重大威脅。太陽大氣層中的物質爆炸會導致大量的高能粒子飛向地球，在那裡它們可能會撞擊並破壞衛星內部的電子系統。在21世紀這有可能削弱影響從個人手機服務到全球經濟一切的通訊網路。

這些物質的爆炸，稱為日冕物質拋射(CMEs)，也可以將帶電粒子送到地球表面的磁力線上，在那裡它們可以通過電網激增，造成嚴重的破壞，可能需要數周甚至數月的時間才能修復。1989年芝加哥商業交易所切斷了整個魁北克省的電力供應，並花了12個小時才恢複電力供應。北美其他地區當天也報告了2000多個電網問題，但包括美國在內的其他國家避免了大規模停電。一些專家表示足夠大的芝加哥商品交易所可能會在數周或更長時間內切斷整個歐洲大陸的電力供應。

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正如Habbal希望研究太陽能夠幫助他們更好地預測太陽天氣事件，並有可能從毀滅性的太陽災難中拯救人類，就像在龍捲風或颶風中，地球上的天氣預報有助於拯救生命。但是日全食是唯一一次她能獲得對理解CMEs如何形成至關重要的數據，以及太陽的哪些特徵可能預示著他們潛在的災難性的到來。

時間是至關重要的

地球上大約每18個月就會出現日全食。但不幸的是對於那些想要成為觀察者的人來說，這些壯觀的天體事件並不總是發生在容易接近人類的地方。另外日全食發生時，月亮只能完全覆蓋太陽最大7分鐘(這是由對象的大小以及它們如何彼此相對移動)，但更多時候,全部只持續大約3或4分鐘。

考慮到這些因素如果Habbal和她的同事們能在地球上的每一次日全食都能看到，而且從未被遮蔽，他們可能希望在10年內收集大約一小時的數據。

這可能看起來不太像，但Habbal說從觀測日全食的幾分鐘內就能學到很多東西。她和她的同事們可以多年來從一個月食中擠出信息，或者將其與後續的日食數據結合起來，獲得更多的洞察力。這就是日食的驚人之處，每一次日食，甚至是日食圖像，都給了我們關於太陽的新發現。即使你只有幾秒鐘或幾分鐘的整體日全食，你也可以得到一些新的東西。

通過觀察某些波長的光，科學家們可以看到恆星表面的不同特徵，比如這些「冠狀環」或「通量繩」，可以將熱物質從表面上帶走。圖片：NASA/Solar Dynamics Observatory

例如在1869年的日全食時，天文學家們在太陽大氣的外層區域進行了化學分析，稱為日冕。研究結果表明科學家們以前從未見過的化學元素的存在，也無法識別70年。原來是鐵原子被加熱到如此極端的溫度有13個電子被釋放了。

這意味著日冕的溫度超過200萬(kelvins)或者大約360萬華氏度，或190萬攝氏度。

當然太陽很熱——它的核心溫度估計達到了2700萬攝氏度(1500萬攝氏度)的最高溫度。太陽的「表面」——或者人類可以直接觀察到的最深層的層——稱為光圈，大約是6700到11000攝氏度(3700到6200攝氏度)。

但在光圈之外事情開始逆轉，太陽大氣層的第一層，稱為色球層，越往外越熱，頂部達到14000華氏度(7700攝氏度)。然後，事情變得很奇怪——在大氣層的下一層，日冕，到達峰值超過350萬度(200萬攝氏度)的溫度，比太陽表面溫度高200到300倍。想像一下，如果你點燃篝火，發現火焰周圍的空氣比火焰或木頭的溫度高200到300倍。什麼樣的機制可以解釋這一點?

科學家們還沒有完全了解太陽的這種溫度差異的機理，但他們首先通過研究日全食來了解它。

一位科學家在印尼日全食之前調整觀測設備。圖片：Shadia Habbal

繼熱後

Habbal和她的同事們也在尋找鐵原子，在太陽的大氣中鐵缺失13個電子以及鐵10個電子，還有鎳、氬、鈣、氧和其他原子的原子缺失電子。(這些類型的原子被稱為離子。)特定類型的離子的存在與一定數量的缺失電子可以幫助揭示給定區域的溫度。通常這些離子即使在進入不同的區域時也會保持它們的「溫度特性」，這意味著它們可以幫助科學家在太陽和大氣中追蹤熱量和物質的傳遞。了解太陽和它的大氣之間的熱量和能量是如何運動的，這對於破解超熱日冕的奧秘至關重要。科學家們說這也可能揭示出在大氣中何時會發生爆炸。

描述太陽纏繞的磁場線。信用：NASA / SDO / AIA / LMSAL

一個CME指的是來自太陽表面的帶電粒子和熱量的雲，但是這些爆炸是由太陽的磁場產生的。如果你曾經在磁鐵附近放置過鐵絲，你就會看到磁場線的存在，這是磁鐵吸引和互相排斥的原因。有一個簡單的條形磁鐵，電場線是整齊和對稱的，但在太陽上這些看不見的磁場線是扭曲和湍流的。它們被所謂的「通量繩」纏結在一起，它們可以在太陽表面形成一個稱為日珥的物質環。如果這些突起能折斷，它們就可以掀起一股CME。

在2015年3月的一次日全食中(從斯瓦爾巴特群島上看)，Habbal和她的同事觀察到由芝加哥商品交易所(CME)在遠離太陽的空間中形成的物質雲。他們的發現是，來自日冕的超熱物質的氣泡包含了一個較冷的物質，它的核心是在它之前的突出物，就像一個反向的molten -熔岩蛋糕。哈布巴爾說以前沒有人觀察過類似的東西。

從物理學的角度來看，奇怪的是你有這種非常酷的材料——比冠狀材料要酷100倍——而且它似乎不關心熱材料，它只是在它飛走的時候保持它的身份。」

這一發現提供了另一個關於在這個環境中熱量和能量如何移動的難題。但Habbal和她的同事們認為，他們通過將eclipse的觀察結果與10年相結合，發現了一個更大的發現。

太陽活動是指太陽表面爆發的CMEs的數量，以及明亮的太陽耀斑。太陽活動在11年的周期內增加和減少，這一周期也反映在太陽表面太陽黑子的數量上。太陽黑子是由相對「冷」材料形成的暗斑(可見於太陽眼鏡)，這些物質形成於一捆捆的磁力線穿過光圈的地方。雖然太陽黑子的增多與太陽活動的增加有關，但太陽黑子並不一定能直接反映出爆炸的來源或時間。

Habbal和她的同事們發現了日珥和「流紋」之間的直接聯繫——在太陽的日冕中，日冕是最熱的區域。他們說似乎相對涼爽的日珥在推動日冕，對溫度有影響。

兩張照片構成了這張合成圖像。固體紅色區域顯示了一種叫做日冕儀的儀器擋住了太陽的光，揭示了它的大氣層。但在日冕儀上施加的是太陽身體的尺度圖像；日冕儀阻擋了太陽內部的大部分大氣層，因此無法取代日全食時的觀測。圖片：ESA/NASA

觀測結果表明這些洞見只能來自日全食，而且沒有人造的方法能像自然的日食那樣有效地阻擋太陽的光。被稱為日冕儀的儀器可以嘗試這種方法，但它們不會將大氣一直帶到太陽表面。此外日冕儀顯然要比月球小得多，因此也不能阻擋來自太陽的大部分光線。太陽的大氣層也與光圈的波長相同，所以不同波長的濾光器沒有幫助。

要解決日冕灼熱的溫度之謎還有很多工作要做，科學家們還不能準確預測CMEs會在哪裡出現。但這些洞見提供了另一個線索，即圍繞著一個9295萬英里(1.49億公里)的恆星，這一複雜的熱量傳遞可以支持和摧毀生命。

因此在2017年的日全食中，Habbal和她的同事們有5個觀測站沿著全食的路徑分布，從俄勒岡到南卡羅來納，全長大約70英里(113公里)。多個觀測站將會給Habbal和她的團隊更多的觀察時間，而不是一個空間站，以及在幾個小時內尋找大氣變化的能力。但哈布巴爾說，關鍵問題是要戰勝天氣。

作者：Calla Cofield

來自：Space

編譯：中子星

審校：博科園

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