数学家用算法和相机追逐日食之谜

西班牙中北部卡斯蒂利亚-莱昂地区，太阳低悬于平原之上。但从皮科特里加萨山的一处山坡望去，几朵蓬松的白云似乎开始遮挡太阳，这让人颇为不安。

一群研究人员，有些戴着硬纸板日食眼镜，聚集在几套连接笔记本电脑的便携式望远镜和相机周围。所有这些设备散落在山坡上架设的桌面上。电脑屏幕上，太阳的圆面呈深橙色新月形，正缓缓缩小——这是因为大约半小时前，月亮已经开始爬过太阳表面。再过25分钟，月亮将完全遮住太阳，产生一种诡异而奇妙的现象——日全食。

在夏末傍晚的炎热中，研究人员焦虑地注视着那些在太阳周围徘徊不去的蓬松云朵。在几米高处山坡上一间废弃小屋里——研究人员的营地所在地——一名研究生走了出来，朝着云层点点头。“你觉得它会散开吗？”他脱口而出。

“会的。”米洛斯拉夫·德鲁克米勒平静地瞥了一眼他的博士生团队，此时他们正在为日全食做最后的设备检查。在西班牙，这一年8月12日，德鲁克米勒正准备迎接他的第19次日食观测。凭借多年经验，他深知当月影突然使气温骤降时，天气可能会迅速转变。况且，再去煽动已经紧张不安的研究生情绪也毫无意义。

米洛斯拉夫·德鲁克米勒主导设计并建造了一台独特的光学仪器，内置八台天文相机。每台相机都配备了光谱滤镜，用于探测和记录太阳日冕发出的特定发射光谱。这些光谱中的每一种，又分别对应铁原子的某种特定离子态。由于电离铁所需的温度因离子种类而异，分析这些离子种类的位置和相对丰度，能为了解日冕中的热量分布提供宝贵线索。

日全食期间，月亮遮挡住太阳圆面刺眼的强光，使太阳外层大气——日冕——中精细的结构得以显现。研究人员利用定制望远镜系统和德鲁克米勒花费数十年开发的图像处理技术，试图深入了解这一难以研究的神秘区域中正在发生的过程。除了拍摄可见的日冕光线外，研究团队还将尝试追踪超高温铁离子向行星际空间扩散的情况，这可能为了解日冕散发热量的模式提供罕见的洞见。

而他们完成这一切的时间只有107秒。

一位数学家的日食摄影之路

德鲁克米勒是捷克共和国布尔诺理工大学的数学与图像处理教授，也是国际团队“太阳风夏尔巴人”的领军人物，该团队专门在日全食期间研究太阳日冕。在日食观测界，他堪称传奇人物，尽管他本人并不愿接受这个称号。

“冰岛本该是比西班牙更好的观测地点，因为那里太阳高度角更大，约为地平线以上25度，”德鲁克米勒略带遗憾地说。但冰岛天气出了名地难以预测，这使得西班牙成为必不可少的备选方案。

如果你把一辆厢式货车装满价值数千美元的相机和光学设备，然后踏上2351公里的旅程，那么最终收获几张令人惊叹的照片也就不足为奇了。研究生们在皮科特里加萨小屋的住宿条件十分简陋，但景色一流。

在山上，当地人为研究人员修整了一间长期废弃的简陋小屋，从附近的电信设施拉来了电缆，还运来了一个水箱。五名博士生从布尔诺驱车两千多公里赶来，花了近一周时间准备设备。德鲁克米勒和他的妻子在日食前两天加入了团队。他们用小型丙烷烤炉做饭，睡在瑜伽垫上的睡袋里。“我们这里有足够的空间架设望远镜，有美丽的风景，还有遮风挡雨的屋顶，”德鲁克米勒笑着说，“简直完美。”

但即便拥有最好的设备和精心挑选的地点，一旦云层袭来，一切都将付诸东流。“准备工作投入了那么多精力，如果最后一无所获，你会感到无比沮丧，”布尔诺理工大学数学助理教授、德鲁克米勒的主要合作者之一雅娜·霍德罗娃说。

随着月亮继续移向太阳圆面前方，那片令人揪心的积云开始消散。距离日全食还有10分钟。众人如释重负。

用铁元素绘制日冕温度图

控制相机的电脑已经开始倒计时。屏幕上此刻只剩下一道细小的橙色弧线，夜幕降临的迹象也日渐明显。

二十台天文摄影相机，大多由汽车电池供电——这同时也能缓冲电网不稳定对相机造成的影响——都对准了太阳。除了捕捉日冕可见光的设备外，团队还组装了一套由八台相机构成的装置，用于探测日冕中各种铁离子发出的光线。

那些用于探测铁离子的仪器，是靠巧思和节俭拼凑而成的。德鲁克米勒的一位同事用激光切割出了用于固定精心校准镜头的铝板，作为回报，他得到了“两瓶威士忌”。支架和配件是在布尔诺理工大学用3D打印机制作的。镜头来自已经停产的相机制造商康泰时，是在eBay上以大幅折扣价购得的。迄今为止最昂贵的部件，是用于分离铁离子发出的特定波长光线的干涉滤镜。

在变黑的太阳圆面周围，日冕那壮丽的金色光晕升起。山坡上一片寂静，仿佛连鸟儿都屏住了呼吸。

“这是世界上其他任何人都做不到的事情，”德鲁克米勒满脸满意地说。这项与哈巴尔的夏威夷团队共同开发的独特技术，已经使研究人员能够绘制整个日冕的温度分布图，并在日冕等离子体中发现了此前从未见过的结构，被称为“烟圈”。这些照片还揭示了太阳等离子体变得极其稀薄、以至于其离子停止碰撞的边界区域。

用于记录日冕中铁离子分布的光学装置配备了天文相机，每台相机都捕捉不同离子种类的光谱。为此，每台天文相机都配有一个光谱滤镜，其带宽极窄——仅一纳米——以至于该滤镜看上去就像一面镜子。

“铁是我们在太阳日冕中观测到的最丰富的重元素，”哈巴尔说。“由于日冕温度极高，铁原子会失去电子而被电离。失去的电子越多，温度就越高。”

例如，产生失去12个电子的铁离子大约需要160万摄氏度的温度。而剥离铁原子的11个电子只需140万摄氏度。一旦处于某种特定的电离状态，无论铁离子是随太阳风向外运动，它都会保持这种特定的电离态。无论是+11价还是+12价，这些离子都会发出不同波长的光，这使研究人员不仅能够绘制日冕内部的温度分布图，还能追踪这些铁离子如何扩散到行星际空间并分布热量。哈巴尔和她的同事们长期以来一直试图在日食期间拍摄到这些铁离子。但直到德鲁克米勒加入进来，他们才得以开发出相应的设备和数学技术来实现这一目标。

三、二、一……日全食时刻

距离日全食开始还有一分钟，研究人员开始取下镜头上的保护滤镜。距离日落还有50分钟，渐渐西沉的太阳刚开始为地平线上方的云朵染上第一抹橙色。然后，夜幕突然加速、提前降临。沿着极细的太阳新月边缘，被称为“贝利珠”的璀璨橙色光点闪烁后消失——这是透过月球表面深邃山谷可见的光球层最后残余光芒。日全食开始时，观测者们摘下了眼镜。热空气开始降温。研究生们安静而专注地守在设备旁。

德鲁克米勒从相机前抬起头，望向变暗的平原。在变黑的太阳圆面周围，日冕那壮丽的金色光晕升起。山坡上一片寂静，仿佛连鸟儿都屏住了呼吸。整片天空沿着月影骤然消失的地平线燃烧着炽烈的色彩。金星在西南方向明亮地燃烧，在暗沉的天空中是一个锐利的白色亮点。相机快门声突然充满了空气。然后，黑暗如它降临时那般迅速地开始退去，又以一把金色的贝利珠作别。

人群爆发出欢呼声。博士生们互相扑向对方，真心实意地拥抱在一起。

“这次大部分工作都是学生们完成的，所以我才真正有机会好好欣赏这一切，”德鲁克米勒说。“太美了。皮科特里加萨或许不是科学摄影的最佳地点，但从美学角度来看，它是非凡的。”

2026年西班牙皮科特里加萨日食观测团队成员包括（从左至右）：玛格达莱娜·什罗季若娃、彼得·乌尔戈什、马丁·福尔努塞克、米洛斯拉夫·德鲁克米勒、瓦茨拉夫·希罗基和马丁·舍贝克。

但对德鲁克米勒来说，这仅仅是开始。当其他日食追逐者急于发布照片时，他会从容不迫。他预计大约两周后发布首批可见光日冕图像。而处理铁离子图像、挖掘其中可能蕴藏的洞见，则需要数月——甚至整整一年的时间。

“大概要等到2027年在北非的下一次日食，”德鲁克米勒说。

谁知道呢？也许到那时，他会同样享受这一切。