Gdzieś na Ziemi Księżyc zastępuje Słońce średnio raz na 18 miesięcy. Zostań jednak na jednym miejscu, a czas oczekiwania jest znacznie dłuższy: całkowite zaćmienie Słońca powraca do tego samego miejsca tylko raz na 360-410 lat średnio. To właśnie ta rzadkość skłania ludzi do latania przez kontinenty, aby stanąć w cieniu Księżyca przez kilka chwil.
Zaćmienie Słońca następuje, gdy Księżyc przechodzi bezpośrednio między Słońcem a Ziemią, rzucając wąski cień na powierzchnię planety. Wewnątrz tego cienia dzień krótko zamienia się w zmrok, a zwykle niewidoczna atmosfera Słońca miga w pole widzenia. To, co następuje, to to, co ujawniło wieki obserwacji zaćmień i ponad stulecie fizyki zaćmień.
Raz na trzy wieki: Jak rzadka (i jak długa) może być totalność
Nawet w idealnych warunkach totalność nie trwa długo. Gdy zaćmienie następuje z Księżycem bardzo blisko perygeum – jego najbliższego punktu do Ziemi – pas cienia może się rozszerzyć do 267 km (166 mil), a sama totalność może trwać ponad 7 minut. Rzeczywiste zaćmienia rzadko osiągają ten limit: najdłuższe obliczone zaćmienie nie nastąpi aż 16 lipca 2186, gdy totalność nad północną Gujaną będzie trwać 7 minut 29 sekund.
Takie zaćmienia są przewidywalne wieki wcześniej, ponieważ powtarzają się w ustalonym cyklu zwanym saros. Jeden pełny cykl obejmuje dokładnie 223 miesiące synodyczne, co odpowiada 18 latom, 11 dniom i 8 godzinom, wraz z bliskimi Match do dwóch innych cykli księżycowych, miesięcy drakonitycznych i anomalistycznych. Znając ten cykl, astronomowie mogą obliczyć wieki wcześniej, dokładnie jak długo dane miasto będzie musiało czekać na swój następny przebłysk totalności.
Zaćmienie z 1919 roku, które przepisało fizykę
Żadne zaćmienie nie zrobiło dla nauki więcej niż zaćmienie z 1919 roku. Gdy totalność przesunęła się nad tropiki tamtego roku, astronom Arthur Eddington obserwował światło gwiazd przebiegające po krawędzi Słońca i stwierdził, że się wygięło, dokładnie jak przewidywała wciąż nowa teoria ogólnej względności Einsteina. Kilka miesięcy później, 8 listopada 1919, wyniki ogłoszono w Londynie, oznaczając koniec więkowych teorii grawitacji Newtona i początek teorii Einsteina.
Albert Einstein, 40-letni Berlińczyk stojący za ideą, praktycznie z dnia na dzień stał się światowej sławy naukowcem. Jednak same pomiary z 1919 roku nie były całkowicie jednolite: zginęcie światła zarejestrowane w miejscu obserwacji na Príncipe okazało się nieco poniżej przewidywanej wartości, a odczyt z brazylijskiego miejsca był nieco wyższy – różnica, na którą krytycy wskazywaliby przez dziesięciolecia.
Dziwne zachowanie grawitacji podczas totalności
Względność nie była potwierdzona tylko raz. Dziesięciolecia później satelita Hipparcos ESA, który latał od 1989 do 1993, śledził światło gwiazd z wystarczającą dokładnością, aby dostarczyć najwyraźniejsze potwierdzenie do tej pory tej samej predykcji z 1919 roku.
Nie wszystko dotyczące zaćmień i grawitacji jest jednak idealne. Jedno badanie mierzące grawitację podczas całkowitego zaćmienia Słońca wykryło małą, ale rzeczywistą anomalię – przesunięcie o 7,0 ± 2,7 × 10^-8 m/s² w lokalnym ciągu grawitacji – i jego autorzy zasugerowali, że wynik może wskazywać na pewnego rodzaju efekt osłonowy podczas totalności. To przypomnienie, że nawet wiek po Eddingtonzie całkowite zaćmienie daje fizykom okazję do testowania grawitacji w sposób, którego żadna ziemska laboratorium nie potrafi.
Ukryta korona Słońca
Całkowite zaćmienie to zasadniczo jedyny czas, kiedy ktoś na Ziemi może widzieć koronę – zewnętrzną atmosferę Słońca – gołym okiem. Zachowuje się jak dziwna inwersja tego, jak normalnie działa ciepło: widoczna powierzchnia Słońca wynosi około 4500-6000°C, ale cienka korona powyżej wzrasta powyżej miliona stopni Celsiusa – skok, który fizycy wciąż nie potrafią w pełni wyjaśnić.
Ludzie dokumentowali to dziwne światło pierścienia przez ponad tysiąc lat – najwcześniejsza znana relacja obserwowanej korony pochodzi z Konstantynopola z roku 968 n.e. Ponieważ naturalna totalność jest tak krótka, Europejska Agencja Kosmiczna zbudowała sposób na jej wytworzenie: misja Proba-3 z podwójnym satelitą leci jeden satelita przed Słońcem, aby go zablokować dla drugiego, tworząc sztuczne zaćmienia, które sumują się do 1000 godzin czasu obserwacji w ciągu dwóch lat, znacznie więcej niż jakiekolwiek naturalne zaćmienie mogłoby zaoferować.
Koraliki światła i pierwsza fotografia zaćmienia
W sekundach przed i po totalności światło słoneczne, które wciska się przez doliny na nierównej krawędzi Księżyca, rozpada się na serię jasnych punktów. W 1715 roku, dziesięciolecia zanim ktoś wymyślił na to nazwę, astronom Edmund Halley stał się pierwszą osobą, która zanotowała to, co teraz llamemy koralikami Baileyao i efektem pierścienia diamentu.
Fotografia dogoniła astronomię ponad stulecie później. Najwcześniejsza znana fotografia zaćmienia Słońca została zrobiona 28 lipca 1851 przez Juliusa Berkowskiego, który używał procesu daguerrotypu – kruchy proces srebrnej płytki za niektórymi najstarszymi zachowanymi zdjęciami fotografii.
Amerykańskie zaćmienie 2017 w liczbach
Najczęściej obserwowane zaćmienie w niedawnej pamięci zmiotło brzegiem przez Stany Zjednoczone w sierpniu 2017, jego pas totalności dotykał zarówno Pacyfiku, jak i Atlantyku – coś, co nie miało miejsca od 1918 roku.
Ten cień był ogromny: zmiotł około 16 procent całej powierzchni Stanów Zjednoczonych, chociaż większość tej ścieżki przebiegała nad otwartym oceanem zamiast po lądzie. Na ziemi totalność trwała najdłużej nad Giant City State Park w południowym Illinois, tuż poza Carbondale, i trwała 2 minuty 41,6 sekundy – najdłuższy okres, jaki ktokolwiek na tej ziemi doświadczył tamtego dnia.