进入 8 月下旬，无数天文爱好者向往的日子即将来临。美国当地时间 8 月 21 日，宽度为 112 公里的日全食带将扫过美国北部的 14 个州，全食带地区的天空将暂时变得如同有满月的夜晚一般。这是时隔近 40 年后，日全食再度“光顾”美国本土。这是让许多人向往的场景。而在天文学家眼里，它不仅仅是一场难得而又壮观的天象。
原标题：天文学家眼中的日全食
包星明、王晓帆、屈中权、邓元勇
资料图
在日食期间，科学观测可以得到许多平时看不到的、有趣而重要的现象。历史上，科学家正是利用这个难得的机会，更新了人类对自己母恒星的认识。
太阳光芒退避，色球现身
太阳是太阳系的中心天体，占太阳系总体质量的 99.86%。按照由里往外的顺序，太阳是由核心、辐射区、对流层、光球层、色球层、日冕层构成。光球层之下称为太阳内部，光球层之上称为太阳大气。
1860 年 7 月 18 日的西班牙日全食期间，英国天文爱好者家德拉瑞拍摄下第一张银版日全食照片，并认为突出于月轮外的“红色火焰”来自太阳，即太阳日珥。
由于色球的光比较弱，平时被光球的光掩盖。1868 年 10 月，英国天文学家洛基尔首次在有日光的条件下，观测到了日珥光谱。进而认识到太阳光球层外面有一层稀薄的大气——色球层。色球是太阳光球层上约两千多公里厚的大气层，温度从 6000 到 20000 摄氏度。色球层和日珥一样，主要由氢和氦气组成。色球层中最强的谱线由氢元素产生，呈粉红色，色球（chromosphere）也因此得名。
一次日全食包括初亏、食既、食甚、生光和复圆五个阶段。在食既前和生光后的短暂瞬间，光球的光被月球挡住，色球发出了红色的亮光，被称为闪光光谱。云南天文台研究员屈中权带领的观测组在 2008 年 8 月 1 日中国酒泉的日全食期间观测到了许多的带有强线偏振的闪光光谱。
捕捉日珥光谱，发现“太阳元素”
1868 年 8 月 18 日的日全食期间，法国天文学家詹森（Janssen）在当时的英属印度刚托，从突出日轮边缘以外的日珥观测到一条黄色谱线，波长为 587.49 纳米。起初许多科学家认为是钠元素产生的一条光谱线。然而太阳日珥是由氢元素组成的炽热气体，不可能产生金属钠的谱线。
仍然是英国天文学家洛基尔，仍然是 1868 年 10 月，他在没有日全食的日光下成功的观测到了日珥的光谱，同时也确定了这条谱线不是钠元素的谱线。洛基尔称之为 D3 线，并认为产生 D3 的元素在太阳非常丰富，于是将这种元素命名为氦（Helium, Helios 是希腊语，意为太阳）。
直到 1995 年，英国化学家拉姆赛发现地球上的铀矿里也存在的氦气。氦，这个原来的“太阳元素”终于被认证为地球的一个元素。1983 年的日全食期间，紫金山天文台研究员尤建圻等观测了氦线的闪光光谱。
神秘日冕绿线，引出未解难题
日冕是太阳大气的最外层，厚度达到几百万公里以上，通常只有在日全食时或通过日冕仪才能看到。1879 年 8 月 7 日日全食期间，杨（Yong）和哈克尼斯发现了一条新的非常亮的日冕谱线，波长是 530.3 纳米。当时没有找到地球上元素对应的谱线，于是将产生该谱线的元素称为 Coronium（冕元素）。直到 1941 瑞典天文学家艾德林确定这条绿色的日冕谱线是铁离子（铁原子失去了 13 个电子）产生的。
不同的元素之所以会形成不同的光谱，是因为其电子从能量较高的轨道跃迁到能量较低的定态轨道时，将多余的能量以特定波长的光发射出去。
按照量子力学的规则，可以从谱线的波长反推出原子跃迁前后的轨道能量。然而，在地球的常温环境下，形成日冕绿线的电子能级跃迁是不符合量子力学的规则的，被称为“禁线”。只有在高达几百万摄氏度的高温下，铁粒子经过连续撞击，原来禁止的跃迁被“允许”了。由此，科学家推断日冕的温度高达百万摄氏度以上。
而太阳的经典模型表明，太阳的底层大气——光球的温度只有 6000 摄氏度。光球与日冕两者间巨大的温度差一直困惑着天文学家。如果日冕的热量由来自光球层的传导的话，将不符合热力学第二定律。因为根据热力学第二定律，热量总是从高温区域传导到低温区域。如何解释日冕高温的来源，即日冕加热问题一直是困扰天体物理学家的太阳三大未解难题之一。
2008 年 8 月 1 日，国家天文台副研究员包星明等在日全食期间观测到了日冕和日珥的发射线，发现日珥及色球的温度比日冕低很多。这些延伸到色球层以上的亮冕环，类似于从严寒的冰缝里冒出的火焰。从卫星拍摄的极紫外影像也显示活动区上方一直增亮的区域，其实是由一系列不同的亮环交替增亮形成的。因此，分析冕环的加热机制或许是解释日冕加热问题一条重要途径。
看见太阳后面的星星，验证广义相对论
与日全食有关的各种观测中，这应该是最为著名的一个。
爱因斯坦在 1915 年发表的广义相对论里，讨论了相互有加速度的物体之间时空变化，并预言引力会使时空弯曲。天体的质量越大，引起的空间变形越严重。一个大质量天体的引力场会使其周围的空间发生弯曲，形成“引力透镜”。
1919 年 5 月 29 日日全食期间，英国物理学家爱丁顿在非洲和南美洲观测到了本来在太阳后面无法看到的天体，说明光线弯曲了，更准确地说是光线沿着弯曲的时空弯传播，从而在观测上验证了广义相对论。
1997 年漠河日全食、2008 年中国西部、2009 年长江流域的日全食期间，中国学者汤克云研究员等也开展了类似的工作。
八月日全食，科学家准备好了
日全食期间，月亮将在 38 万公里以外挡住太阳光球的强光，这期间对太阳的科学观测可能有意想不到的新发现。因此各国科学家都将即将到来的日全食视作探析太阳奥秘的“天赐良机”。
针对这次日全食，美国国家航空航天局和美国国家科学基金委支持了飞机上观测日全食的近红外光谱项目。从地球上看，此次日全食持续最长时间为 2 分钟 40 秒。科学家将利用飞机“追踪”，将观测日全食的时间提高到 7 分钟以上。
我国科学家则集结在美国俄勒冈州，对太阳日冕磁场展开较为精密的观测。
日冕磁场是产生太阳剧烈活动从而影响空间天气的源头，也是解开日冕加热难题的钥匙。但是，日冕磁场的测量是迄今为止没有完成的任务。日全食提供了最小杂散光的环境，为日冕磁场测量提供了绝佳的机会。
由中科院云南天文台和北京大学组成的观测团队带来了四架望远镜，将共同完成精细测量日冕磁场和其他物理以及日冕物质精细结构的任务。其中，中科院云南天文台带来的第一代光纤阵列太阳光学望远镜 FASOT-1A 是这次观测的主力。这是一台口径 304mm 反射式望远镜，将对日冕磁场辐射强度和偏振强度进行测量。
此外，四川理工学院也在美国俄勒冈州架起一台太阳半径精确测量望远镜，希望通过采集日食开始时分和结束时间，以及月亮相对太阳运动速度来精确测定太阳半径。
太阳是距离人类最近，也是人类了解最多的恒星。然而到目前为止，关于这颗恒星仍有许多未解之谜。这次横跨美洲大陆的日全食将为广大公众和科学家进一步了解和研究太阳物理提供难得的机会。
（作者单位：中科院国家天文台、中科院云南天文台）
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