2022年9月22日 星期四

科學家從一千五百年前的拜占庭日食記錄,精確修正地球自轉變化量

2012年澳洲日全食©Romeo Durscher/NASA

科學家們透過拜占庭帝國的歷史檔案,找出了五次日食發生的時間和地點,雖然這些日食不是新發現,但對地球自轉變化有了新的、更精確的測量。

一天24小時,86,400秒,似乎是一個相當可靠、不變的時間指標,但這其實只是錯覺,因為自然界的各種因素,從地球核心活動、大氣阻力,到月球軌道的擴大,都會影響地球的實際日長,讓地球自轉速度發生不規律的變慢或變快。

從長期趨勢來看,一天的長度正逐漸變長。根據化石記錄,科學家們推算在 14億年前的白天只有 18個小時,而7,000萬年前的一天則比現在短了半小時,每世紀一天的長度大約增加1.8毫秒。此外還有奇妙的六年振盪,地球一天的長度每六年左右就會發生正負0.2秒的變化。

人們最常使用的日常時間(世界時 UT)和根據天體位置測量所得的天文時間(地球時 TT),兩者的差異被稱為ΔT(delta-T)。當涉及日食等天文計算時,ΔT就變得非常重要,因為太陽和月亮的位置是用TT計算和預測,但月球的影子是落在以UT計時的地球上,因此必須知道ΔT才能準確預測日食。

1657–2022年間的∆T

反過來看,若有日食的精確時間和地點,就可以倒推出ΔT。過去科學家們就曾從中國、歐洲和中東的歷史記錄中計算出當時的ΔT。最近由名古屋大學 Hisashi Hayakawa、筑波大學 Koji Murata和日本國家天文臺 Mitsuru Sôma,則從拜占庭帝國的歷史檔案,推算出大約 1,500年前的 ΔT。

這項工作非常重要,因為從西元四世紀到七世紀間,日食的記錄非常少,是一段空白時期,相關細節往往沒有記錄,不過科學家們還是從以前沒有分析過的歷史記錄中找出了五次日食,雖然這幾次事件不是新發現,但相關細節資訊卻可為地球自轉變化率提供了新的、更精確的數據。Murata表示,儘管原始的第一手目擊記錄多已散佚,但後人記錄的引文、翻譯等則提供了寶貴的資訊。除了日食精確的位置和時間外,包括日食的狀態,變黑的天空中出現多少星星的敘述等都是重要佐證。透過這些調查,科學家們確認了東地中海地區四至七世紀中,發生在 346年、418年、484年、601年和 693年的五次日全食。

從這些資料中推算出的 ΔT值與過去的估計大致相同,但一些出人意料的發現則對ΔT做出了微調。

在西元 418年7月19日發生的日食的記載中,研究人員確定了觀察日全食的地點是在君士坦丁堡。當時的歷史學家 Philostorgius對這次日食的描述是:「當狄奧多西二世皇帝達到青春期時,在7月19日的第8個小時左右,太陽完全被食,星星出現。」Philostorgius從西元 394年左右即生活在君士坦丁堡,直到 439年左右去世,因此他應該就是在這裡觀看了日全食。但在之前的ΔT模型下,君士坦丁堡並不在日全食帶中,研究小組因而據此修正了當時的 ΔT,還有其他記錄也導致了少許調整。

Murata總結這次研究所導出新的 ΔT資料,填補了歷史上一段相當大的空白,顯示五世紀的 ΔT應該向上修正,而六、七世紀的 ΔT則應該向下修正。儘管調整的幅度看起來都很小,但它們的影響相當大,除了對地球自轉的變異性提出更精確的數據外,也對未來其他地球物理現象的研究提供了寶貴的資訊,如對行星內部模型和長期海平面變化等。

Publications of the Astronomical Society of the Pacific

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