3回の日食が科学を変えた

この記事は、 特別レポート 2024 年 4 月 8 日に米国、メキシコ、カナダの一部で見られる皆既日食について。

今年4月に北米一帯で起こる皆既日食のような、皆既日食は、人が体験できる最も崇高で超越的な自然現象の一つです。月が太陽を完全に覆い、下の地球に暗い影を落とす皆既現象の光景は、まるで宇宙の自然なリズムと規則正しい秩序が崩れ去ったかのように、ほとんど非現実的です。したがって、歴史を通じてこれらの出来事が恐怖、驚き、尊敬を呼び起こしてきたことは驚くべきことではありません。また、天文学者にとって、高度な物理理論をテストし、自然界の新たな側面を発見する絶好の機会でもありました。ここでは、皆既日食が空、地球、そしてその間にあるすべてのものに対する私たちの見方を変えた数多くの出来事のうち、ほんの 3 つを紹介します。

ハレー日食

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エドモンド・ハレーがいなかったら、アイザック・ニュートンの革命的な重力理論は決して存在しなかったかもしれません。 1684年、ハレーの同時代人の一人であるロバート・フックは、より単純な原理からケプラーの惑星運動の法則を導き出すことができると主張した。しかし、彼の主張について質問されたとき、彼はそれを裏付けることができなかった。ハレーも問題を解決することに同意したが、うまくいかなかったので、旧友のニュートンに頼った。ニュートンはすでに解決策を見つけたがメモを「紛失」したと言ってフックを驚かせた。ハレーの絶え間ない励ましに応えるために、ニュートンはおそらく史上最高の物理的洞察の著作、彼自身の作品を生み出しました。 Mathematica の原理。

ハレーがニュートンの大ファンだったと言っても過言ではないでしょう。ハレーはニュートンの著作の最初の出版に個人的に資金を提供し、その重要性と重要性を一般に伝える上で重要な役割を果たしました。そうすることで、彼は来るべき日食を正確に予測した史上初の人物となった。

歴史を通じて文化は日食のタイミングについての予測に成功してきました。ニュートンが新たに作成した重力法則を使用して、ハレーは、1715 年 5 月 3 日にロンドン上空を通過した皆既日食の時間と経路をかなりの精度で予測することができました。時間と経路はそれぞれ約 4 分と 20 マイルで正確でした。 (ハレーはニュートンの法則の失敗のためではなく、月の動きの記録の不正確さのために追放されたのかもしれない。)

当然のことながら、この出来事は見出しになり、世界中の科学者や一般の人々がニュートンの天才性を認めました。そして、ハレーが日食の地理的経路を地図に描く方法（皆既性と部分性を示す暗い帯）が非常に優れていたため、私たちは今日でもそのスタイルを使用しています。

ヤンセンの「エクリプス」

19 世紀半ば、化学者、物理学者、天文学者は同様に、光をその構成色の虹のスペクトルに分割することで光源の元素組成を明らかにできるという新しい分光技術に困惑していました。 (まさにそれらのアイテム 彼らはいた 原子の存在はまだ証明されていなかったため、まだ議論中です!)

分光学を使用することで、天文学者は初めて望遠鏡を覗いて、まるで遠く離れた惑星や恒星に手を伸ばして触れるのと同じくらい簡単に、見たものの内容を特定できるようになりました。今日、分光法は現代天文学の基礎です。天体の魅力的な天体画像を見つけると、そのスペクトルについておそらく十数件の記事が出版されているでしょう。

太陽が空で最も明るいことを考えると、太陽は分光分析の当然の対象となりました。この技術を使用して、天文学者は、太陽の白熱大気中に潜む水素、鉄、酸素、炭素などと、容易に理解できない元素のヒントを発見しました。初期の観察では、それが奇妙な種類の鉄である可能性があることが示唆されましたが、データと完全に一致する説明はありませんでした。

1868 年 8 月 18 日、天文学者の国際チームが南インドと東南アジアで皆既日食を観察したとき、決定的な進歩が起こりました。その中には、ノーマン・ロッキャーとジュール・ヤンセンもおり、彼らは一緒に月の隠れたシルエットの周りに突然見える太陽のプロミネンスのスペクトルを研究しました。これらのスペクトルにより暗闇を払拭することができ、これまで地球上では知られていなかった太陽中の新元素の存在が明らかになりました。

地球化学者たちはこの元素を分離するのに数十年かかり、ギリシャ語にちなんでヘリウムと名付けました。 ヘリウムそれは「太陽」を意味します。ヘリウムは、地球上で発見される前に天で発見された最初の、そして現在までに唯一の元素です。

エディントン日食

ニュートンの重力の説明は美しく正確でしたが、それは不完全であり、太陽の周りの水星の軌道の歳差運動など、特定の現象を適切に説明できませんでした。このような不完全さは、アルバート・アインシュタインが独自の重力の新しい概念、つまり重力を巨大な物体によって引き起こされる時空の湾曲として扱う一般相対性理論を構築しようとする取り組みの重要な動機となった。一般相対性理論により、アインシュタインは水星の軌道の謎を説明することができました。それは技術的には 先見性、 ただし、すでに知られている結果を説明する理論の作成が必要です。私に必要だったのは 1 つ 予測—彼の理論が実際にどれほど強力であるかを示す新しいもの。

アインシュタインは、一般相対性理論を使用して、太陽のような巨大な物体の周りで重力場、つまり時空の曲率によって光がどの程度偏向されるかを予測するというアイデアをすぐに思いつきました。太陽の重力により、通過する光線がわずかに偏向されます。この効果は信じられないほど小さく、遠くの星からの光線のほとんどは太陽に十分近くを通過しないため、通常、この効果を見ることはできません。しかし、皆既日食の間、誰かが太陽の見かけの端にある星の正確な位置を測定し、他の時間にその位置を比較してこのずれを識別することができます。

ニュートンの理論もこの種の逸脱を予測しており、アインシュタインの相対性理論への初期の進出でも同様の結果が得られました。アインシュタインは 1911 年の論文で、天文学者にこの効果を探すよう勧めました。彼らはその後も何度か日食を試みましたが、悪天候によってその試みは台無しになりました。

それはアインシュタインにとって良いことだったことが判明しました。理論を完成させた後、彼は自分の計算がニュートン重力による予測よりも大きな偏差を与えることに気づきました。アインシュタインが再び天文学仲間であるフランク・ワトソン・ダイソンとアーサー・エディントンに助けを求めた後、彼らは彼の挑戦に挑みました。プリンシペ島とブラジルの 2 つの遠征隊を率いたこれらの天文学者は、1919 年 5 月 29 日の皆既日食中に太陽の近くの星の見かけの位置を測定し、それらがアインシュタインの予測に従ってずれていることを発見しました。

翌年、王立天文協会の晩餐会で、エディントンはパロディとして書いた次の詩を朗読した。 ○オマル・ハイヤームのルバイヤート。

ああ、私たちの尺度は賢者たちに比較してもらいましょう

少なくとも一つ確かなことは、光には重さがあるということ

一つ確かなことはあるが、残りは議論だ

光線は太陽に近づくと直進しません。

明日の日食

今日、地球に住む天文学者は、コロナグラフと呼ばれる賢い機器を使ってオンデマンドで独自の「日食」を起こすことができるため、太陽を研究するために月が次の運命的な配置になるのを待つ必要はありません。これらの装置は、太陽を正確に遮断する望遠鏡に取り付けられたディスクと同じくらい単純なものにすることができます。天文学者は太陽の外気を研究するためにコロナグラフをよく使用しますが、そこには多くの謎が残されており、まだ誰も知りません。 その通り なぜこの領域は目に見える太陽の表面と比べて非常に熱いのか、なぜこれほど強力で複雑な磁場があるのか​​、なぜ太陽風として知られる荷電粒子の無限の流れを引き起こすことができるのか。

過去の自然日食は、私たちの宇宙観に革命をもたらすのに役立ちましたが、これらの人間が作り出した現在の日食は、私たちを天文学の未来へと確実に推進してくれるでしょう。太陽が次にどんな新しい秘密を私たちに明らかにしてくれるのか誰にも分かりません。