当月球遮住太阳并在地球上投下阴影时，科学上的突破就会浮出水面。日全食不仅仅是令人叹为观止的奇观——它们是宇宙中罕见的现象，为研究人员提供了独特的机会来研究否则无法察觉的自然现象。
100多年前，天文学家利用日全食证明了爱因斯坦的广义相对论，彻底改变了我们对宇宙的理解。现在，随着北美为七年来的首次日全食做准备，科学家们有可能做出额外的、关键的发现。
4月8日，阴影将横跨欧洲大陆的大片地区，经过3000多万人。与此同时，这些研究项目将利用这一备受期待的事件来扩大人类对宇宙的了解，并促进当地的科学参与。
以下是美国宇航局资助的五个项目，它们试图在日食期间取得新的突破。
追逐日全食:制作2017年日食大电影
太阳的日冕是太阳最外层发光的大气层，它将白热等离子体的卷须甩向太空，通常是隐藏的。这颗恒星明亮的表面使它难以被观测到。但在日全食期间，这些情况就会发生逆转，因为炽热的日冕在阴影下变得可见。
今年，日食超级电影2024已经招募了100多名公民科学家摄影师来绘制日全食的路径，并设置了指向日冕的摄像机。由此收集的图像对于研究这个神秘的区域和它产生的动荡的太阳天气至关重要。
该项目的通讯专家汉娜·赫尔曼(Hannah Hellman)说:“日食是我们唯一可以真正拍摄这些特定类型照片的时候。”“我们的想法是能够研究日冕的运动，它的外观和行为方式。”
赫尔曼说，当日食超级电影在2017年日全食期间开始时，这是一个“史无前例的项目”，它将数万张日冕照片汇编成一个连续的视频，以研究整个太阳的大气层。2024年的项目缩小了重点。通过获得更多更高清晰度的图像，该团队试图揭示太阳喷流和羽流的“秘密生活”，它们在太阳上形成，在最终随着太阳风离开恒星之前似乎消失或改变了形式。
“内外日冕之间的区域是一个过渡区域。它是大量太阳等离子体波，日冕物质抛射(太阳喷流)，所有这些电磁过程发生的地方，”日食巨型电影的首席研究员，索诺玛州立大学的物理学和天文学专家劳拉·佩蒂科拉斯说。“从宏观物理学的角度来看，问题是:是什么物理驱动了这些喷流，是什么让它们继续传播到太阳风中?”是什么物理原理阻止了太阳喷流这样做?”
使用数码单反相机，每个公民科学家摄影师将在不同的曝光下拍摄大约90张照片。在提交照片和位置数据后，Eclipse Megamovie团队将为志愿软件工程师举办一场比赛，他们将使用机器学习将照片拼接成一个流畅的视频。预期的结果是:一部令人瞠目结舌的日冕运动电影。
整个大陆的业余电台都将收听即将到来的日全食。在几次“日食QSO派对”中，他们希望能更清晰地描绘电离层的画面，电离层是大气区域，分布着他们用来通信的无线电波。
电离层一直在变化，受太阳紫外线辐射的影响，电离层会发生弯曲，因此测量电离层的难度是出了名的大——电离层太高，飞机无法飞行，电离层太低，卫星无法漫游。这就是业余无线电爱好者的用武之地。
在日食QSO派对上，无论是业余的还是业余的，操作员都将互相发送和接收信号，跟踪他们的信号强度，并在日食之前、期间和之后到达。这项工作既是一项研究项目，也是一场竞赛:参与者必须通过双向传输(qso)与尽可能多的人联系，并与尽可能远的人联系。更多的人等于更多的分数，这些分数乘以距离。任何拥有高频无线电和天线的业余电台都可以参加。
凯斯西储大学的业余无线电俱乐部W8EDU是“业余无线电科学公民调查”(HamSci)的合作机构，其成员除了各自的日食研究外，还在为QSO派对做准备。
“我们正在将数据收集游戏化，以便更多地了解电离层的情况，”凯斯西部大学电气工程专业的本科生、W8EDU日食QSO派对团队的负责人亚伦·比洛说。这些数据将告诉我们，当太阳被遮挡时，电离层是如何表现的，并与日食前后进行比较。
电气工程师、HamSci的创始人纳撒尼尔·弗里斯尔(Nathaniel Frissell)说:“人们通过这些发射机接收到的信息，看看他们是否能听到其他电台的声音，或者这些信号是如何变化的，我们就能远程测量日食是如何改变高层大气的。”
弗里塞尔说，科学家们知道电离层是在一个24小时的过程中从白天到晚上演变的。但据W8EDU俱乐部成员、电气工程专业学生劳拉·施瓦茨(Laura Schwartz)说，日食就像快速“轻按电灯开关”。公民科学家将揭示短暂而突然的黑暗如何影响无线电波在电离层中的传播方式，以及这可能如何改变电离层的整体电离。
“每个参与者都有一种社区意识，”W8EDU俱乐部成员、电气工程专业学生亚当·古德曼(Adam Goodman)说。“人和科学一样，人的方面非常重要。有些人疯狂到走出去，在他们的后院铺设电线，然后在全国各地收听静电信号。”
太阳的表面几乎是一个精确的球体——有一些例外。这些偏差很小，但意义重大，了解它们可以开启对太阳内部的洞察。
今年4月，SunSketcher希望动员数百万志愿者追踪太阳的表面形状。这个过程很简单。沿着日全食路径的公民科学家将下载SunSketcher应用程序，用三脚架或可用的物体(如岩石)支撑他们的手机，并将其指向太阳。这款应用程序是预先设定好的，可以在日食期间的特定时间拍照。
“在智能手机中，你有GPS，位置和时间非常精确。每个人都有这种非常高精度的数据，”休·哈德森说，他是加州大学伯克利分校空间科学实验室的研究物理学家，也是SunSketcher项目的负责人。“我们的理论解决方案是，如果你让一百万人拥有一百万条坏数据，你就会得到好的数据。”
这些精心计时的图像是为了捕捉一种被称为贝利珠子的现象。在日全食之前和之后，只有一个细长的月牙可以看到，这些小珍珠的光穿过月球岩石地形的缝隙。
科学家们可以用智能手机上的照片来计时和追踪贝利珠(根据该项目，你不需要一个太阳能过滤器来工作)。研究人员将利用这些数据以及他们从卫星测量中获得的对月球地形和定位的现有了解。
“最后的闪光取决于月球的结构。如果月球上有山谷，你会看到一道闪光。如果月球上有一座山，你是看不到的，”哈德森说。“因为我们知道月球上的山脉和山谷在哪里，我们可以把它们投射到太阳上，看到太阳的形状。因此,SunSketcher。”
由此产生的数据将有助于测量太阳的扁率，或者太阳的旋转和内部动力学(从太阳潮汐到气体流动)使太阳变得更椭圆的程度。了解太阳的形状可以更精确地研究引力理论，以及太阳的引力如何影响行星的运动。
虽然用望远镜对太阳的测量已经能够在很大程度上分辨出它的扁率，但SunSketcher的目标是更加精确。
“我们希望做得比现在好10倍，也许是好100倍。这就是你开始在科学上有所发现的地方，”哈德森说。“如果你在该领域比之前的测量结果高出一个系数，那么你就会学到一些东西。”
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当日食横扫整个大陆时，35个由公民科学家组成的团队，都配备了相同的望远镜，将从德克萨斯州的伊格尔帕斯(Eagle Pass)到缅因州的霍尔顿(Houlton)。他们的目标是:沿着2000英里长的日全食线拍摄视频片段，以展示太阳中央日冕的磁性结构。
利用对光线偏振敏感的特殊摄像机，每个团队将捕捉两到三分钟的视频，以太阳中下日冕为中心，拍摄总共60分钟的连续镜头。这将使科学家能够检查该区域的运动、磁结构和密度，揭示日冕内的磁能如何转化为热量，并最终帮助确定太阳风的强度。
“来自日冕的光是极化的。而且，事实证明，极化的方向和极化的数量提供了关于日冕中发生的事情的额外信息，如果不测量极化，你就无法轻易获得这些信息，”CATE 2024项目的负责人、科罗拉多州博尔德西南研究所的太阳物理学家阿米尔·卡斯皮(Amir Caspi)说。“有了这个相机，每个像素都有一个偏振滤光片。所以，我们可以测量日冕中每个像素的偏振，在日冕的任何地方，每时每刻。”
该项目建立在2017年公民CATE项目的研究基础上，该项目探索了等离子体羽流的来源和速度，并“开创了这种实验”，卡斯皮说。他补充说，“CATE 2024将其发展为下一代，我们不仅使用下一代科学家，还使用下一代设备”，这些创新在2017年是无法实现的。一旦数据提交，科学团队将对其进行分析，并邀请志愿者帮助处理数据。
志愿者的年龄和专业知识各不相同，从高中生到经验丰富的专业人士。Caspi说:“我们希望把科学的现状和科学的影响力推进到非专业科学家的群体中，这些群体在历史上在科学和天文学中代表性不足。”
项目结束后，参与社区将保留研究设备作为资源，鼓励当地参与未来的专业级科学实验。
“我们不能在日食之后才完成，”CATE 2024的联合研究员莎拉·科瓦奇(Sarah Kovac)说，她在2017年参与了这个项目后，受到了攻读天文学博士学位的激励。“我们将利用这些资源，并与这些团队保持联系。”
虽然人类已经发明了预测日全食的方法，但自然界的动物和昆虫却面临着突如其来的黑暗。当天空昏暗时，马开始寻找掩护，飞翔的秃鹰改变了速度，蜜蜂放慢了觅食的速度。
在这一宇宙事件中，动物和昆虫的行为变化不仅可以被看到，还可以被感觉到和听到。日食声景项目试图通过使用所有感官来观察日食如何破坏不同的生态系统。
“日食通常被认为是一种视觉事件——你看到的东西，”Eclipse音景项目的通讯协调员凯尔西·佩雷特在一份声明中说。“我们想表明，日食可以通过声音、感觉和其他形式的观察，以多感官的方式进行研究。”
关于动物在日食期间行为怪异的报道已经持续了数百年。日食声景项目的灵感来自于一个世纪前的一项研究，1932年，美国东北部和加拿大的部分地区发生了日全食。当时，科学家收集了近500名志愿者的观察结果。通过结合现代技术，日食声景项目希望重复这个众包实验，测量动物——尤其是蟋蟀——对日食的反应。
团队邀请尽可能多的人加入这个项目，不管他们的年龄、经验水平，也不管他们是否处于整体状态。人们可以作为“学徒”参与，通过更多地了解活动，作为“数据分析师”参与，通过处理收集到的数据，或作为“促进者”参与，通过团结和培训社区成员。那些位于日全食路径上的人可以作为“数据收集者”，记录日食的声音，或者“观察者”，记录他们在天空变暗时对周围自然的多感官观察。
佩雷特在声明中说:“归根结底，回答我们关于日食如何影响地球上生命的科学问题完全取决于人们自愿提供的数据。”“我们拥有的音频数据和观察越多，我们就越能更好地回答这些问题。”
