须知：2024年日全食

4月8日，美国大片地区将暂时经历白天变成黑夜，因为月亮的阴影从太阳前面经过，导致日全食。影子将从德克萨斯州进入，穿过俄克拉荷马州、阿肯色州、密苏里州、伊利诺伊州、印第安纳州、俄亥俄州、宾夕法尼亚州、纽约州、佛蒙特州和新罕布什尔州，最后通过缅因州离开。

《今日宾夕法尼亚大学 》采访了艺术与科学学院的天文学家加里·伯恩斯坦（Gary Bernstein）和布夫内什·贾恩（Bhuvnesh Jain），以了解更多关于日食的机制、即将到来的日食的意义，以及日食在历史上如何为科学家提供对宇宙本质的理解。

什么是日食？

“简单地说，”Jain说，“这是月亮挡住太阳的时候。他补充说，日食涉及一个有趣的巧合：虽然太阳比月亮大得多，但它也离地球很远，这使得它们的大小看起来与地球非常相似。这种表观大小的相似性对于日食至关重要，月食可以完全或部分覆盖太阳，这取决于它们当时的相对位置和距离。

伯恩斯坦说，“太阳和月球之间大小的明显相似性，本质上是当前天体力学的偶然。这种独特的配置在十亿年前是不一样的，而且在遥远的未来会发生变化，因为月球离地球越来越远。因此，在遥远的未来，月亮将太小而无法完全覆盖太阳。幸运的是，这一天还有数亿年，“他说。

日全食与日偏食

伯恩斯坦指出，在日全食期间，观察者处于月球的全影中，即本影，它只有大约100英里宽。这个阴影穿过一条穿过地球的路径，在这条路径内，观察者可以体验到日全食。“另一方面，如果你在这条狭窄的路径之外，你就会进入半影，那里的太阳只被月亮部分覆盖，导致日偏食，”他说。

伯恩斯坦强调，日偏食，即使它覆盖了太阳的很大一部分，也无法与日全食的令人敬畏的经历相提并论。98%和100%日食之间的经验差异很大;几乎完全的日食并不像日全食时那么明显，将其与经过的云进行比较。“所以，不幸的是，98%的日食只比100%有趣，”他开玩笑说。“整体性会带来环境的巨大变化，例如黑暗和温度明显下降，这在日偏食期间不会发生。

如何预测日食

伯恩斯坦说，即使在古代，例如在希腊时代，人们也开始认识到暗示一年中某些时间可能发生日食的模式，尽管他们无法确定日食的发生。在所谓的日食季节，这种排列通常大约每六个月发生一次，特别是当新月相与月球每月两次穿越地球轨道平面时。

“由于月球的轨道相对于地球轨道倾斜约5度，它的阴影通常会错过地球，这使得日食的频率低于每月的新月，”伯恩斯坦说。“日食只能发生在日食季节，导致一年中发生两次日食，大多数只是部分日食。

伯恩斯坦说，日全食比较罕见，因为它们需要太阳和月亮中心之间更精确的对齐，也因为月亮在天空中的表观尺寸有时太小而无法完全覆盖太阳。由于月球绕地球的轨道略微呈椭圆形，地球绕太阳的轨道也是如此，因此太阳和月亮的表观大小各不相同，从而影响了发生的日食类型。

在牛顿运动定律发表后，日食的预测变得更加准确，因为这些定律可以更好地理解天体力学。

耆那教说，在当代，地球、太阳和月亮的位置被非常精确地知道，低至几厘米，这要归功于对它们在天空中运动的广泛跟踪和航天器的监测。“这种精确的知识让我们天文学家能够非常准确地预测日食，消除了对它们何时何地发生的任何疑问，”他说。

日食可以告诉我们关于宇宙的什么

“1919年，日全食促使天文学家弗兰克·沃森·戴森（Frank Watson Dyson）和亚瑟·斯坦利·爱丁顿（Arthur Stanley Eddington）进行了两次探险，以测量太阳附近星光的引力偏转。这是第一次观察到太阳周围星光弯曲的实例，爱因斯坦精确预测了这一现象，“Jain说。“对这种偏转的测量，我们称之为引力透镜，是物理学中最重要的时刻之一。它表明，像太阳这样的大质量物体可以扭曲时空结构，弯曲从它们附近经过的光的路径。

伯恩斯坦指出了1919年日食的重要性，他引用了《纽约时报》的著名标题“爱因斯坦阐述了他的新理论”，然后是“它抛弃了绝对的时间和空间，只承认它们与运动系统有关”。他说，这一消息庆祝了对爱因斯坦预言的观测证实，突出了这一事件对科学界和广大公众的影响，导致他的理论被广泛接受并声名鹊起。

伯恩斯坦说，“像引力透镜和日冕这样的现象只有在日全食期间才能看到。他解释说，日冕是太阳大气层的最外层，其特点是其热的电离气体交换延伸到数百万英里的太空中，产生类似光晕或皇冠的效果。 “这两样东西总是在那里，但被太阳的亮度所淹没。日全食提供了一个难得的机会，可以直接从地球上观察这些现象，“他说。

Jain说，在爱丁顿实验近一个世纪后，开普勒太空望远镜将类似的阴影阻挡概念用于一个开创性的目的：发现系外行星。“与日食的戏剧性阴影不同，这些遥远的行星掩盖了其主星光的一小部分，通常不到1%，”他说。“然而，开普勒的精确测量揭示了关于这些系外行星的信息宝库，导致人们惊奇地意识到银河系中的大多数恒星都伴随着行星，扩大了我们对宇宙复杂性的理解。

在哪里可以看到这次日食

伯恩斯坦将与朋友和家人一起前往德克萨斯州观看日食，“我真的希望天空晴朗，这样如果日食被云层挡住，他们就不会责怪我把他们拖到那里，”他开玩笑说。Jain说，他很羡慕他的邻居，他打算在下午3点的预计日食时间之前滑雪到普莱西德湖的怀特菲斯山，从高处体验日食。

“在高海拔的山上可以提供更清晰、更畅通无阻的天空视野，提供更身临其境的日食体验，”Jain说。“此外，从这样的有利位置，可以看到月亮在笼罩山顶之前接近的阴影，增加了观看日食的兴奋感。”

加里·伯恩斯坦（Gary Bernstein）是宾夕法尼亚大学艺术与科学学院物理与天文学系的Reese W. Flower天文学教授和天体物理学教授。

Bhuvnesh Jain是Walter H.和Leonore C. Annenberg自然科学教授，也是宾夕法尼亚大学艺术与科学学院物理与天文学系粒子宇宙学中心的联合主任。