天文太空

瞄準2017日全食

99年來,首度橫跨全美的日全食將於今年8月21日發生,這不僅是必看的壯麗景象,更深具科學研究價值。

撰文/帕沙可夫(Jay M. Pasachoff)
翻譯/宋宜真

天文太空

瞄準2017日全食

99年來,首度橫跨全美的日全食將於今年8月21日發生,這不僅是必看的壯麗景象,更深具科學研究價值。

撰文/帕沙可夫(Jay M. Pasachoff)
翻譯/宋宜真


日食發生時,我喜歡待在戶外觀測,親身感受周圍的天地逐漸變暗。過去我建議人們自行製作針孔投影機來觀察日食,甚至透過常見廚具刨絲器的小孔。但近年來,太陽濾鏡只需數十元新台幣就買得到,上述建議也就顯得過時。


現在,每個人都可以藉由太陽濾鏡觀察日食,從日全食前一小時就開始觀看,過程中會清楚看到太陽被「咬了一口」的樣貌。在日全食發生前幾分鐘,你會發現周遭光照變得十分詭異,物體陰影格外清晰,因為光來自如同一彎新月的太陽,而非被遮掩前的整顆太陽。這時空氣變涼、風微微吹拂,月球投下的陰影帶可能會快速掃過地面。


月球會在數秒內會完全遮住太陽,只有少數幾道光從月球邊緣不平整處流瀉,被遮掩的太陽像是一串明珠。這些明珠會逐漸消失,直到剩下最後一顆,宛若戒指上的鑽石;珠子邊緣或許還有一抹紅色光澤,而月球的輪廓也滾上一圈白色帶子。接著,鑽石也消失了。你可以、也應該拿掉濾鏡,肉眼直視太陽此刻的模樣:原先隱藏在藍天之後的太陽大氣,現身了。


這是內層和中層日冕,也就是脫離太陽表面的羽狀電漿。此時亮度好比滿月,是平常太陽亮度的100萬分之一,可肉眼直視。你最先瞥見的日冕就像鑽戒上的絲帶,接著你會看到它全部的亮光:一片珍珠白的暈,向外延伸至太陽半徑的數倍。如果運氣佳,你還能看到電漿被強力噴射到行星際空間。


我逐步描述日全食的過程,意義何在?因為,這個過程美得如此觸動人心,卻從沒有人能詳細說明所有細節。人們經常在日食發生後來找我,說他們讀過我努力描述的壯觀日食景象的文章,但總比不上他們親眼所見。電視和電腦螢幕無法完整呈現真實情況;照片不能表現出日食的動態過程,也缺乏炫目對比。在周遭天色即將變暗時走到戶外,一開始只是慢慢昏暗,接著在短短數秒內就暗了一萬倍。如此目眩神馳的體驗,幾乎勾起人類深怕太陽就此被吃掉的原始恐懼。


我在大學一年級首度看到日食,便無法自拔,之後我走遍世界各地觀察了65次日食(其中33次為日全食)。今年8月21日,我將看到第66次,而且也是1918年以來第一次橫跨全美東西岸的日全食。


日食是觀測太陽的好時機


科學家精心設計了一些方法,希望盡可能利用日食的難得機會進行觀測。日食觀測使我們能以高時間與空間解析度仔細查看日冕的形狀。比起太空望遠鏡中最佳的日冕儀,我們在地面觀測到的日食影像,在各個維度的解析度都至少提高八倍。日食觀測的缺點是時間短、不連續,但我們結合不同日食事件以及同一次日食但不同觀測點所得到的資料,彌補了日食觀測的缺點。舉例來說,我們觀測了11年來這一整個太陽活動週期的日食事件,也追蹤了日冕圓度(反映出不同緯度的冕流分佈)的變化,再比較太陽活動的其他測量資料。


即使在日食期間,不論身處何處,都只能看到日冕幾分鐘,我和斯洛伐克科學院的天文學家魯辛(Vojtech Ru?in)合作,結合不同觀測點的結果,探知在月球陰影橫掃地表的數小時中冕流和冕羽的改變。在今年8月21日的日食事件中,我們甚至可以借助公民科學家獲得從美國西岸到東岸的連續影像。


結合數個日食影像有更進一步的目的:捕捉日冕的大範圍亮度。我們可以從不同曝光時間拍攝的影像中,挑選出數十張適度曝光的影像,再合而為一。


負責合成日食影像的專家是卓拉克繆勒(Miloslav Druckmuller),他是捷克布爾諾理工大學的電腦科學家。有鑑於日冕在太陽邊緣的亮度比一個太陽半徑之外的地方高了1000倍,我們必須從數十張不同的影像中,挑選出最佳曝光的部份並組合成一張。我的團隊以過去日全食的合成影像(近年在印尼、挪威斯瓦爾巴、加彭、澳洲等地的日食事件),測量出冕流、極區冕羽和團塊噴射的速度。我們希望今年8月也能取得重大的觀測成果。


另一個方法是藉由日食期間月球逐步遮蔽太陽的過程。當月球邊緣逐步遮蔽或露出太陽黑子區域時,望遠鏡或許可以拍攝到太陽亮度的劇烈變化,使我們得以確認一些細節。為了以超高的空間解析度觀測,我們團隊今年跟美國紐澤西理工學院的葛瑞(Dale Gary)、美國國家電波天文台(NRAO)的巴斯汀(Tim Bastian)以及NASA噴射推進實驗室的庫伯(Tom Kuiper)合作,在月球遮蔽太陽時,使用電波望遠鏡觀測活躍太陽黑子區域,測量輻射在無線電波段的變化。

即使這些望遠鏡都位於日全食範圍之外,看到的太陽仍有70%被遮蔽。我們使用加州歐文斯谷擴充太陽陣列(OVSA)進行解析度最高的無線電波觀測,其中有13座電波望遠鏡相互連線,可以在2.5G~18GHz範圍的數百個頻率持續觀測太陽。同樣位於加州的高德史東蘋果谷無線電波望遠鏡(GAVRT)提供解析度較低的影像,可以補足影像背景以提高合成影像的品質。我們應該能在無線電波段找到較高亮度冕環的確實位置,再透過太空望遠鏡於紫外光或X光波段觀測太陽黑子,進而了解冕環究竟如何加熱。

科學家已對光球層的磁場進行充份研究,但關於日冕磁場的研究卻少得可憐。針對這種情況,哈佛史密森尼天文物理中心(CfA)的狄盧卡(Ed DeLuca)以及哈佛大學的研究生森拉(Jenna Samra),正與CfA的太陽科學家高魯普(Leon Golub)以及位於科羅拉多州的國家大氣研究中心(NCAR)高海拔觀測站的賈吉(Philip Judge)合作,計畫以NCAR的灣流V型飛機持續觀測日食,由於飛機可航行到會吸收紅外光的大氣團塊上方,因此能夠測量紅外光的譜線強度,找出日冕中對磁場變動十分敏銳的區域。

如果這次成功,在下次日食的飛行計畫中,他們打算以加載偏振濾鏡的望遠鏡進行觀測,測量日冕的磁場。偏振測量能分離不同偏振的光,有助我們辨識日冕的成份。日全食期間我們看到的中層日冕,是高度游離的氣體散射太陽光至我們眼中的結果。散射會讓光產生偏振,在此過程中,電子的運動抹除了原本要形成太陽彩虹光譜的暗線。此外,在靠近水星軌道的區域,行星際空間的塵埃會反射日光而朝向地球,但不會產生偏振,太陽光譜不會遭到抹除。有研究人員預計在今年的日食事件中研究偏振,包括哥達德太空飛行中心的戈帕斯瓦米(Nat Gopalswamy)、高海拔觀測站的賈吉和湯姆扎克(Steven Tomczyk),以及太空科學研究中心(SSI)的亞納曼德拉-費雪(Padma Yanamandra-Fisher)。2018年,一旦夏威夷茂伊島的井上建太陽望遠鏡(DKIST)開始進行觀測,其中一項儀器應該能直接測量日冕磁場,以研究紅外譜線的偏振。等到NASA的帕克太陽探測船在2018年發射,將飛越日冕,有助於解開日冕高溫問題的不確定因素。


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