借2017年美國日全食的機會研究太陽大氣層

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借2017年美國日全食的機會研究太陽大氣層

每隔大約18個月，地球上某處就能觀測到一次日全食。但由於地球表面大部分是海洋，絕大多數日全食只有在極短的時間內能夠從陸地上觀測到，有些甚至完全無法從陸地觀測。而2017年8月21日的這場日全食卻不同——它的日食帶橫跨北美大陸，陸上可觀測時間接近90分鐘，這使得科學家有了一次史無前例的從地面進行科學測量的機會。

在8月21日，當月球移動到太陽前面時，它會完全遮擋住整個太陽。這會發生純屬偶然——儘管太陽直徑比月球直徑寬將近400倍，但日全食時月球也會比太陽距我們近400倍，這就使得從地球上看上去太陽和月球有著差不多的視大小。事實上，這次月球看上去會比太陽還要大一些，導致在某些地點觀看時食甚過程達到兩分半鐘。如果它們看上去正好一樣大的話，食甚過程會一閃而過。

日全食使NASA的研究員能嘗試使用有朝一日或能運用在未來任務中的最新技術。但是，他們必須在短短兩分多鐘內沒有瑕疵地完成整個實驗。

Credits: NASA』s Goddard Space Flight Center/Genna Duberstein

日食會允許我們看到太陽大氣的最外層，日冕層，平時因其太暗淡而無法看到。儘管科學家能夠從太空中使用一種叫做日冕儀的儀器——通過金屬原盤遮擋太陽發光面來製造「人造日食」——對日冕層進行研究，但太陽大氣中有些更內部的區域還是只有在日全食時才能觀測到。由於一種叫衍射的光學現象，日冕儀使用的金屬原盤必須在遮擋太陽發光面的同時，對日冕層的很大一部分也進行遮擋，這樣才能得到清晰的圖像。而由於月球距離地球相當遠——本次日全食期間大約為37萬千米——衍射的影響就微乎其微，科學家也就能很好地對更內部的日冕層進行研究。

NASA在這次日全食期間資助了11項遍布美國的地面科研項目，其中有6個是專註日冕層研究的。

太空天氣的來源

我們的太陽是一顆活躍的恆星，其總是在不間斷地釋放出一股帶電粒子流，這被稱作太陽風。和日冕物質拋射一起，太陽風會影響地球的磁場，使粒子像下雨般傾瀉進地球大氣層，並且極端時會對衛星造成影響。儘管我們能在這些噴射物質離開太陽時對它們進行跟蹤，但如果想預測它們什麼時候會噴射，關鍵可能就在於研究內日冕層中儲存的磁能，也就是這些噴射物質的來源。

來自科羅拉多州的高海拔天文台(High Altitude Observatory)的菲利普·賈治和他領導的團隊將使用新的儀器，通過在全食期間繪製日冕層的圖像，來研究日冕層的磁場結構。這些新的儀器位於懷俄明州卡斯珀(Casper)市旁的一個山頂，它們繪製出日冕層的圖像，科學家藉此來在可見光和近紅外波段尋找由磁場留下的痕迹。其中一個儀器，POLARCAM，藉助基於蝦蛄的眼睛而研發的新技術來獲得新的偏振測量數據。並且本次任務會作為該儀器應用於未來太空任務前的概念驗證。這項研究會增進人們對太陽是如何產生太空天氣的認識。

「我們想將我們即將收集到的紅外波長的數據與NASA太陽動力學天文台和JAXA/NASA的日出衛星記錄過的紫外波長的數據做一個比較，」賈治說，「這個結果將會肯定或否定我們對於日冕層中各個波長的光是如何產生的的認識，或許這能幫助化解一些相關領域矛盾。「

賈治團隊收集到的數據將與另兩組數據互補，一組來自利用飛機從空中對日冕層進行紅外波段繪圖的研究，另一組來自由高海拔天文台的保羅·布萊恩斯領導的地基紅外波段研究。布萊恩斯和他的團隊將會在卡斯珀山頂利用光譜儀進行測量——收集從太陽來的光並分離每個波長的光，測量它們各自的強度。這台光譜儀，名為NCAR空中干涉儀，將會第一次應用於測量從太陽日冕層發出的紅外光。

「這些研究都是互補的。我們將收集到光譜方面的信息，揭示光的波長組成，」布萊恩斯說，「而菲利普·賈治的團隊則會收集到空間方面的信息，告訴我們哪些特徵從哪來。」

這些新的數據將會幫助科學家表徵日冕層複雜的磁場結構——理解和最終能夠預告太空天氣事件的關鍵信息。科學家也將會擴大他們的研究，通過對比分析他們得到的結果和NASA太陽動力學天文台與JAXA/NASA日出衛星的相關觀測數據。

在俄勒岡州的馬德拉斯，由馬里蘭州戈達德航空中心的奈特·戈帕爾斯瓦米(Nat Gopalswamy)帶領的團隊將會把一台專門的偏光照相機指向日冕層，在4個預選好的波長分別拍攝一些幾秒長的曝光照片，整個過程都在僅僅兩分多鐘的食甚階段完成。他們拍攝的圖片將會捕捉到日冕層中太陽物質的溫度和速度信息。目前，這樣的測量數據只能在日全食期間通過地面觀測獲得。

而想要在非日全食期間研究日冕，科學家則使用日冕儀。典型的日冕儀使用一個能轉過三個不同角度的偏振濾鏡，每個角度對應一個不同的波長。而奈特使用的新照相機則被設計成能夠免去這一笨拙，耗時的過程。這台照相機包含數千個極小的偏振濾鏡來同時讀取不同偏振方向的光。測試這一新式照相機不僅對於改進現有的日冕儀來說至關重要，更是幫助我們理解充斥著我們周圍太空的太陽輻射的來源——日冕層，的關鍵一步。

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NASA的太陽和太陽圈探測器(SOHO)持續觀測著日冕層的外層。在日全食期間，科學家將會對日冕層內測進行觀測以試圖更好地認識日冕物質拋射和日冕出乎意料的高溫。

Credits: ESA/NASA/SOHO

目前無法解釋的高溫

在內日冕層中還包含著另一個問題的答案。科學家認為內日冕層能夠解釋一個長久以來的問題：太陽大氣層是如何達到如此意料之外的高溫的。日冕層比太陽表面要熱很多，這有點違背直覺，因為太陽的能源都來自於其核心的聚變反應。通常隨著距離熱源越來越遠，溫度應該降低，但在太陽大氣層中事實卻並非如此。科學家們認為對於內日冕層中粒子運動軌跡的細緻測量可以揭開這異常熱量背後的機制。

太空科學研究所的帕德馬·亞納曼德拉-費舍也將會領導一次在偏振光下對內日冕層進行拍攝的實驗。偏振光是振動面只限於某一方向的光。當一束普通的光通過一個具有偏振效果的介質時就會產生偏振光——在這兒，這個介質就是內日冕層中的電子。

「通過測量內日冕層中偏振光的亮度並利用數字模型，我們就能提取出視線方向中電子的個數，」帕德馬說。「總的來說，我們就是在對內日冕層中自由電子的分布進行繪圖。」

從偏振光角度繪製內日冕層地圖以揭示電子密度對日冕層中波的建模來說是一個關鍵因素，而日冕層中的波就是日冕層加熱的一個可能原因。與NASA資助的公民科學項目，Citizen CATE（在全美範圍由民眾拍攝日全食圖像），收集到的非偏振光圖像一起，這些偏振光測量結果可以幫助科學家解釋日冕層不尋常的高溫。

來自夏威夷大學天文研究所的沙迪亞·哈巴爾將會帶領一隊科學家拍攝全食過程中的太陽。團隊將在相隔1000千米的橫跨四個州的五個不同地點對太陽進行拍攝，這將使團隊能夠記錄日冕層短期的變化，同時也能提高他們遇到好天氣成功進行觀測的機會。

他們將使用光譜儀，分析日冕層中不同電離元素髮出的光。科學家還會使用不同的濾鏡來選擇性地拍攝不同顏色的日冕層圖像，這將允許科學家直接研究日冕層的物理性質。

有了這些數據，他們能夠探索日冕層的組成和溫度，並且測量從太陽流出的粒子的速度。不同的顏色對應著不同的元素的電離態——鎳，鐵，氬等，並且每一個不同的元素都有自己特定的電離溫度。通過將這些數據放在一起分析，科學家希望能更好地理解日冕層加熱的過程。

科羅拉多州博爾德的西南研究所的阿米爾·卡斯皮和他的團隊將使用NASA的兩架WB-57F飛機，並通過安裝在機頭位置的望遠鏡進行觀測。他們將捕捉到現今最清晰的日冕層圖像和第一張水星的熱力圖，揭示水星表面的溫度分布。

作者：NASA

翻譯：陸寅楓

校譯排版：陳艷玲

責任編輯：解仁江

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--via NASA

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