隐藏在黑暗中的信息
乍一看，日食只是光的缺失——月球挡住太阳，行星穿过星盘，卫星滑入其母行星的阴影。但在科学中，缺失往往和存在一样具有启发性，在天体对齐期间仔细分析光线如何消失和返回已经解开了天文学历史上最重要的一些发现。从地球的大小到数十亿英里外的系外行星大气的组成，编码在阴影中的信息已经被证明是非常丰富的。
日食或许是最壮观和历史上最重要的例子。观察太阳日冕的能力——那种通常被太阳盘面的亮度所淹没的稀薄、异常炽热的外层大气——完全取决于月球在地球天空中幸运的视角大小。月球比太阳小400倍，但距离也约近400倍，这种巧合意味着从地球表面看这两个天体的角度大小几乎相同。这种对齐使得日全食能够完全遮挡光球，同时让日冕保持可见——正是在1919年的一次日全食期间，亚瑟·爱丁顿著名地证实了爱因斯坦的预测，即大质量物体使光弯曲，他观察到被掩蔽的太阳附近恒星位置的偏移。
掩星：探测宇宙的精细结构
当太阳系天体——行星、卫星、小行星或柯伊伯带天体——从地球看起来经过背景恒星前方时，就会发生恒星掩星现象。当掩星体的边缘经过时，恒星光线变暗和恢复的精确时间揭示了天体的大小、形状，以及在有大气的情况下其大气结构，精度非常高。
冥王星的大气首次在1988年通过恒星掩星测量被检测到，比任何航天器访问这颗遥远矮行星早了数年。背景恒星光线的逐渐变暗——而不是没有大气天体会产生的急剧截止——揭示了存在稀薄的氮气大气，并提供了其压力分布的首次测量。当NASA的新视野号航天器最终在2015年飞过冥王星时，由数十年掩星观测构建的大气模型被证明是非常准确的。
恒星掩星也被用于刻画特洛伊小行星的形状，测量天王星和海王星的光环（在任何航天器直接拍摄之前通过掩星轮廓发现），以及探测太阳系最外层的边缘，其中太暗而无法直接成像的柯伊伯带天体可以通过其在背景恒星上的阴影进行研究。
凌日：系外行星革命
凌日法——在这种方法中，从地球看到的行星穿过其母星的星盘会导致可测量的、周期性的恒星光线变暗——在过去几十年中是阴影科学最具变革性的应用。NASA的开普勒空间望远镜从2009年至2018年运作，监测了超过15万颗恒星的行星凌日特征光变曲线，并编目了数千个系外行星候选者，将系外行星科学从一个只有少数已知世界的领域转变为拥有数千颗已确认行星的领域。
凌日法不仅仅能够探测行星。凌日光变曲线的精确形状——恒星亮度如何随着行星星盘开始重叠而下降、达到凌日深度然后恢复——编码了关于行星半径、轨道周期、轨道倾角和行星大小与母星比例的信息。结合行星重力对恒星拉扯的径向速度测量，凌日观测产生了行星的质量，使得能够计算其密度和推断其整体组成。
透射光谱：在光线中读取大气
凌日科学最强大的近期扩展是透射光谱——分析行星大气在凌日期间如何过滤恒星光线的方法。当凌日行星的星盘穿过恒星时，来自恒星的光通过行星行星边缘的大气薄环。大气中不同的分子吸收特定波长的光，在到达望远镜的恒星光线频谱中留下特征指纹。通过比较不同波长处的凌日深度，天文学家可以识别行星大气中存在的分子。
詹姆斯·韦布空间望远镜大幅推进了这项技术。JWST的红外灵敏度和光谱分辨率允许检测从热木星到亚海王星范围的行星大气中的水蒸气、二氧化碳、甲烷、二氧化硫和其他分子。在2023年，JWST首次在一颗超地球的大气中检测到二氧化碳。在宜居带类地行星大气中寻找生物特征——生物过程的分子证据，例如氧气和甲烷在岩石行星大气中的同时存在——现在是一个技术上现实的目标，而不是遥远的愿望。
从古代工具到太空时代应用
使用天体对齐作为科学仪器的历史可以追溯到古代。埃拉托色尼在公元前三世纪使用两个位置处太阳阴影的角度以非凡的精度计算了地球的周长。埃德蒙·哈雷在1716年提议，从地球上相隔很远的多个点同时观测金星凌日可以使用视差法提供天文单位——地日距离——的测量，这一提议在1761年和1769年金星凌日期间由国际观测者网络在已知世界的最远角落成功执行。
将这些古代和现代应用联系在一起的是一个共同的原则：当光被精确中断时，中断本身就携带信息。宇宙充满了阴影，每一个经过仔细分析都讲述了关于投射和接收它们的天体的故事。NASA对日食和凌日科学教育和公众参与的持续投资反映了一个认识，即这个原则——易于理解、视觉化的，并将人类观测者与宇宙结构的最大尺度联系起来——是连接专业科学和公众想象的最有效的桥梁之一。
本文基于science.nasa.gov的报道。阅读原文。
Originally published on science.nasa.gov
