“金環日食”奇觀上演 來看看日食背後那些秘密③_風聞

從古至今，日食總是能引起人們的好奇，隨着望遠鏡和攝影設備的更新換代，拍攝日食成為天文攝影愛好者的樂趣。那麼怎麼樣才能拍出一張在朋友圈中大獲點讚的日食照片呢？繼續來看日食知識之旅吧~

近代以來的日食研究

天文學發展到今天，對於日食的觀測與研究，早已脱離了神秘主義色彩。日食發生時，敲鑼打鼓的場面在民間都已很難見到，更談不上從官方角度對日食進行“獻祭”，“天狗食日”的詞彙也僅僅只是公眾媒體在進行科普報道時的修辭手法。但這並不意味着天文學家們就不再關注日食了，恰恰相反，在當今科技的助力之下，對日食的研究呈現出了更為豐富的角度。

“武王伐紂”的故事，經過傳統文學《封神演義》和電視劇《封神榜》的傳播，在中華文化圈中早已是盡人皆知的歷史典故，但由於文物資料的極度缺乏，曾經一度，歷史學界對於“武王伐紂”的確切年份莫衷一是。但正如《荀子·天論》中所述“天行有常，不為堯存，不為桀亡”，天體的運行是如此地具有規律性，以當代的天文學技術，可以比較精確的推算出前後幾千年來的日月五星的位置情況。因此，在“夏商周斷代工程”當中，天文學家的工作就顯得尤為重要了。這其中，文物與史料當中多次提及的“天再旦”（即發生在早上的大食分日食），成為了解開謎題的重要抓手。在天文學家將銅器銘文中的歷日記載，與現代天文計算方法結合後，已經推算出“武王伐紂”的年代應當發生在公元前1046年。目前這一結論已經獲得了學術界的廣泛認可[1]。

關於日食的研究，流傳更為廣泛、更具傳奇性的故事則發生在整整一百年之前。1915年11月，愛因斯坦在普魯士科學院發表了著名的愛因斯坦引力場方程。這個方程描述了處於時空中的物質是如何影響其周圍的時空幾何，簡單來説：重力會引起時空的彎曲。這一結論在當時的主流物理學界甚至被認為是荒誕不經的，而地球上的實驗室內無法安放足夠大質量的物體來進行這種實驗，那麼距離地球最近的，質量最大的物體當然就是太陽了。但是太陽實在是太明亮了，在它附近方向上的星星，全都淹沒在耀眼的陽光之中，於是，科學家們想到了利用日全食食甚，太陽被月亮完全遮住的時候，來驗證廣義相對論。

1919年5月29日，英國天文學家亞瑟·愛丁頓率隊在西非普林西比島成功地進行了日全食觀測。他拍下了食甚時，日面附近的背景恆星。經過分析發現，太陽的引力果然使遙遠的恆星發出的光線發生了彎曲，證實了廣義相對論所提出的引力透鏡效應。這個實驗在當時的科學界引起了極大的轟動。雖然事後證明，愛丁頓的觀測數據存在着誤差，但他的誤差與廣義相對論預言的幾乎一致。可以説有點歪打正着了。

圖1 太陽偏轉星光的示意圖

圖片來源：NASA’s Goddard Space Flight Center

圖2 英國天體物理學家亞瑟·愛丁頓在普林西比島拍攝的日全食

來源：F. W. Dyson, A. S. Eddington, and C. Davidson, “A Determination of the Deflection of Light by the Sun’s Gravitational Field, from Observations Made at the Total Eclipse of May 29, 1919” Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical or Physical Character (1920): 291-333, on 332.

拍攝：F. W. Dyson, A. S. Eddington, and C. Davidson

只要你觀察過一次日全食，就不難發現，在食甚階段，日面邊緣外側有很濃密的白色絲絮狀結構，即使肉眼裸眼都可以看到清晰的紋理，當然日全食過程中，只有食既到生光階段陽光足夠闇弱，可以用肉眼裸眼安全地觀察。不晚於18世紀早期，天文學家開始對這一現象產生興趣，後來，天文學家發現這種物質是屬於太陽的。現在我們知道，日冕實際上是圍繞太陽周圍的等離子光環，太陽的日冕可以延伸到外太空數百萬公里。

在很長一段時間裏面，天文學家只能在日全食發生時的一小段時間窗口裏，對其進行有限的觀測，直到1930年法國天文學家伯納德·里奧發明了日冕儀，天文學家的這一窘境才開始得到改善。但實際上，由於大氣層的存在，使得日冕儀附近的陽光散射非常嚴重，早期的日冕儀效果非常有限，目前的做法也是更多的將日冕儀安放在海拔較高，空氣較為稀薄的台站。著名的空間探測器SOHO衞星（太陽和太陽圈探測器）實際上就是一台在空間軌道運行的日冕儀，只有這樣才可以成功的躲開大氣層的干擾。就目前來説，想要在地面上對太陽日冕層進行觀測，效果最好的辦法還是藉助超大型純天然日冕儀——日全食食甚。

圖3 2017年8月21日北美日全食食甚

拍攝：王樂天 處理：章佳傑

經過細緻的數字圖像處理過程，圖片呈現出了非常豐富的細節。首先可以直觀地看到日食的發生確實是由於月球的遮擋，陰影當中的月球地貌清晰可見，日面邊緣的紅色細節是太陽色球層噴發出的日珥，更外層向外舒展開的白色紋路則是日冕。日全食被譽為“效果最好的天然日冕儀”。為取得較好的圖片呈現，圖片在後期處理時，月球表面邊緣細節做了適當拉伸。

當代業餘天文愛好者觀察、

記錄日食的方法

如果你有幸能夠在核心食帶現場觀看一次日食，尤其是日全食或者日環食的話，還是需要做一些準備工作的。無論你是用肉眼、望遠鏡還是照相機觀察，整個過程中，最核心的工作就是保護好眼睛和器材免受陽光的傷害。

目前，業餘天文領域最常用的減光用品就是巴德膜。巴德膜（AstroSolar）是“Baader

Planetarium”公司生產的一種用於觀測太陽的產品。通過其可以有效的過濾太陽光。巴德膜可以做成“日食眼鏡”供肉眼目視日食過程，也可以製成各種遮光罩罩在望遠鏡目鏡、相機鏡頭前面。透過巴德膜，就可以清晰安全地看到一輪白色的太陽，也就是太陽光球層了。而如果你有足夠的預算，還可以考慮購買一支除了看太陽，幾乎什麼也看不了的專用望遠鏡——日珥鏡。日珥鏡有一種獨特的設計，只能夠允許波長為635nm左右的光線透過望遠鏡光路成像。透過日珥鏡，你能看到一輪紅色的太陽，也就是太陽色球層。

此外，還有鍍鉻玻璃或者標號為ND100000的減光濾鏡也是不錯的選擇。這兩種配件都需要放置在光學設備的前端。觀察太陽時，唯一能夠可靠地安放在目鏡這一端的望遠鏡配件叫做赫歇爾稜鏡，但赫歇爾稜鏡長時間使用會大量發熱。而如果你沒有這方面預算，簡易的小孔成像裝置也可以幫助你安全地觀察日食。生活中使用的太陽眼鏡並不適合直接看向太陽。

圖4 12月26日，國家天文台沙河科普基地舉辦日偏食觀測主題的開放日活動。當天開放的望遠鏡中，加蓋了鍍鉻玻璃罩進行安全減光，為防止颳風或誤觸導致玻璃罩掉落，外層還纏繞了透明膠帶。

圖片來源：中新網

在不具備專業減光裝備的情況下，還可以使用白板、花盆、泡麪桶等簡易材料製作投影裝置，安放在小型業餘望遠鏡後端，也可以安全地觀察太陽。

圖5 用自制的太陽投影裝置觀測日食

​望遠鏡後端安放白板，呈現出太陽鏡像投影

圖片來源：國家天文台沙河科普基地

2019年12月26日，北京市海淀區中關村第二小學天文社“星雲社”的小天文愛好者們在使用自己製作的太陽投影裝置（望遠鏡後端安放簡易投影器，呈現出太陽正像投影），在校園裏觀察日偏食。

圖片來源：中關村二小“星雲社”

圖6 天文愛好者孫思2019年12月26日在關島拍攝日環食的設備。望遠鏡前端覆蓋巴德膜，後端接駁照相機，可以安全地拍攝日面特寫。但是巴德膜非常輕非常薄，在使用時要注意一定不能有摺疊、破損。

供圖：孫思

由於前文所述，日全食或日環食的發生區域非常有限且飄忽不定，隨着交通工具的日益便利，越來越多的天文愛好者就像古典時代的天文學家那樣，選擇長途跋涉去追逐日食帶的軌跡。

圖7 2017年8月21日北美大日食期間，國內天文愛好者組織“星緣山風隊”部分隊員遠跨重洋奔赴美國去觀看日全食。這張圖是當時的微信共享位置截圖。各成員位置分佈與日食帶軌跡完美契合。

圖片來源：星緣山風隊

長途跋涉追逐日全食畢竟只是一小部分人能夠實現，隨着移動網絡終端的普及，網絡視頻直播也成為了重要的天文科普手段。這幾年來，“每逢日食必有網絡直播”幾乎成了固定規律，而傳統的視頻媒體在這方面還較為被動一些。足不出户，不用勞費旅途奔波就可以看到千里之外的日食情景，不得不説網絡的發達為天文科普的傳播插上了有力的翅膀。對，“我要上班”，“我要上學”，“我要照顧孩子”等等這些理由早已牽絆了我們追尋日食的腳步。很多天文愛好者只能夠一邊默唸“我愛學習，工作使我快樂！”（大霧），一邊打開視頻天象直播，藉助網絡讓自己遠在天邊的詩與遠方放飛一會兒吧！

圖8  2019年12月26日，國家天文台沙河科普基地與中新網合作，用網絡視頻直播當天北京日騙食食甚時的畫面截圖。左側白色圖像為覆蓋巴德膜的望遠鏡採集的太陽光球層圖像，右側紅色圖像為日珥鏡採集的太陽色球層圖像。最多僅有約6.8%的日面被遮蓋。

圖片來源：中新網

但話又説回來了，如果你去了現場去看日全食，誰不想拍幾張可以在朋友圈被點贊到爆的美照呢？那麼，你就需要提前瞭解你下你前往的地點，日食將會出現在什麼時間？屆時太陽的方位角、高度角是多少？地面附近有哪些景物可以納入畫框？可能大多數人還是喜歡與風景的不期而遇。但在喜歡天文的攝影師看來，就倆字：“算它”。是的，這些內容都是可以通過事先的查詢計算出來的，本文開頭的那副壯美的日環食串圖，就是攝影師提前做好了充足的準備而得到的。

為了拍攝這次日環食金環西垂的景象，他們不遠萬里遠赴此次日食發生的最東端的陸地區域——關島，為了將日環食的整個過程收納在同樣的構圖當中，攝影師還需要選取合適的角度、鏡頭焦段。最終，攝影師將整個日食期間得到的49張照片疊加在一起，就獲得了這樣一張令人震撼的作品。

圖9 2019年12月26日關島日環食迭加圖——日環食串   拍攝&製作：孫思

因為所有疊加素材是由同一台相機使用同樣焦段向同一方向拍攝，記錄的是連續時間內真實天象的變化，這張照片在真實性上是沒有問題的。可以説，一張科學性與觀賞性兼備的天文攝影作品，前期的準備工作甚至是比拍攝時的操作還要重要。

圖10 多次追逐日全食天象的天文攝影師葉梓頤，此次選擇了在偏食地區進行拍攝。她通過app輔助、手繪草圖等方式構思創作。最終在高樓林立的長沙也拍攝到了效果很好的日偏食圖片。圖片來源：葉梓頤

筆者兒時在科普讀物上曾讀到過，日食期間，一些動物會有一些反常舉動。例如，母雞會回窩，犬類會吠叫。但其實，根據筆者收集到的信息顯示，在日全食現場舉動最反常的動物其實是——人類。就筆者的親身經歷而言，就有很多例子：眾多患有嚴重拖延症的天文愛好者，能夠為此提前一年請好年假規劃好行程訂好房間；工作中一臉嚴肅的互聯網企業高管，在日食期間可以穿上奇裝異服而毫不顧忌別人的眼光；足不出户的宅男宅女可以不遠萬里，追逐這短暫的幾分鐘日全食過程。最極端的情況，單就説從食既到生光的這幾分鐘時間裏，人不分男女老幼，地不分東西中外，現場的觀看人羣都會不由自主地，大聲吶喊鼓掌甚至手舞足蹈起來，這幅場景，真是令人覺得“人類的本質就是吶喊！”

歡呼吶喊之餘，如果你還有精力，或許還可以求個婚。是的，你沒有看錯，求婚。筆者的一位著名攝影師朋友，在2016年追逐日全食的旅途中，帶上了自己的女朋友。架設好相機，設置好快門線，快門一通狂拍之後變戲法似的拿出求婚信物，在食甚期間向女朋友求了婚。結果……不僅那張日全食攝影作品拿了世界級大獎，而且女朋友也成為了這位朋友的孩子他媽。日食真是令這位朋友事業愛情雙豐收啊！

圖11 天文愛好者於2019年7月2日（當地時間）,智利La Higuera日全食食甚期間，與愛人拍攝的合影

供圖：steed

好了，不多説了，我要去追日食去了。

參考文獻：

[1] 劉次沅：《夏商周斷代工程叢書：從天再旦到武王伐紂-西周天文年代問題》，世界圖書出版公司，2006年版