日食が科学を変革したのは 3 回

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は、人が体験できる最も崇高で超越的な自然現象の一つだ。 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のも不思議ではありません。 また、天文学者にとって、高度な物理理論をテストし、自然界の新しい側面を発見する絶好の機会としても機能しました。 ここでは、皆既日食が天、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多くの例のうちの 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、自分の主張に異議を唱えられたとき、彼はそれを裏付けることができなかった。 ハレーもこの問題に取り組むことに同意していたが、自分自身では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、 プリンキピア・マセマティカ。

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、彼は来たるべき日食を正確に予測した歴史上初めての人物となった。

歴史を通じて、文化は日食のタイミングを大まかに推測することに成功してきました。 しかし、ハレーはニュートンの新たに作成された重力法則を駆使することで、1715 年 5 月 3 日にロンドン上空を通過した皆既日食のタイミングと経路をかなりの精度で予測することができました。 タイミングと経路は、それぞれ約 4 分以内と 20 マイル以内の精度でした。 (ハレーはニュートンの法則に違反したためではなく、月の動きの記録が不正確だったために追放されたのかもしれない)。

当然のことながら、この出来事はニュースとなり、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マッピングするために選んだ方法 (全体性と部分性を示す暗い帯) は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。

ヤンセンの日食

1800 年代半ばまでに、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ような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、新しく発見された分光技術に夢中になりました。 (まさにそれらの要素 だった 原子の存在がまだ証明されていなかったため、まだ議論の余地がありました!)

分光学を使用することで、天文学者は史上初めて、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、望遠鏡を覗いて、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となっています。 あなたが遭遇する可能性のある天体の魅力的な天体画像ごとに、おそらくそのスペクトルについて十数の論文が出版されているでしょう。

太陽は空で最も明るいものであるため、分光分析の自然な対象となりました。 この技術を使用して、天文学者は、太陽の白熱大気に潜む水素、鉄、酸素、炭素などを発見しました。また、簡単な理解を妨げる 1 つの元素のヒントも発見しました。 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、重大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、月のオカルトシルエットの周りに突然見える太陽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、彼らは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上の新元素の存在を明らかに明らかにしました。

地球に縛られた化学者たちが、ギリシャ語にちなんでヘリウムと名付けたこの元素を単離するには数十年かかるだろう ヘリオス、「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、そして現時点で唯一の元素です。

エディントンの日食

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ために理論をでっち上げたものです。 彼が必要としていたのは、 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、太陽などの巨大な物体の周囲の重力場、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、通過する光線はわずかに偏向されます。 通常、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の近くを十分に通過しないため、この効果を見ることはできません。 しかし、皆既日食中、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偏りを識別できる可能性があります。

ニュートンの理論もこの種の偏向を予測しており、アインシュタインの相対性理論から導かれた最初の試み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しに行くよう勧めました。 彼らはその後数回の日食に挑戦しましたが、悪天候のため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。理論を完全に具体化すると、計算によりニュートン重力で予測されるよりも強いたわみが得られ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の助けを求めた後、フランク・ワトソン・ダイソンとアーサー・エディントンが彼の挑戦に挑みました。 これらの天文学者は、2 つの遠征隊 (1 つはプリンシペ島、もう 1 つはブラジル) を率いて、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と正確に一致してずれていることを発見しました。 。

翌年、王立天文協会の夕食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。 のオマル・ハイヤームのルバイヤート。

ああ、賢者たちに私たちの対策を照合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

現在、地球に滞在している天文学者は、コロナグラフと呼ばれる賢い機器を使用して、オンデマンドで独自の「日食」を作成できるため、太陽を研究するために月の次の運命的な配置を待つ必要はありません。 このような装置は、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です。 天文学者は太陽の外層大気を研究するためにコロナグラフをよく使用しますが、そこにはまだ多くの謎があり、まだ誰も知りません。 その通り なぜこの領域は太陽の可視表面と比較して非常に灼熱なのか、なぜこれほど強力で絡み合った磁場があるのか、なぜ太陽風として知られる荷電粒子の終わりのない流れを吹き出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、人間が作り出した現在の日食は、間違いなく私たちを天文学の未来へと押し上げるでしょう。 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。