金星凌日

金星凌日

171埃(17.1纳米)
可见光太阳影像
NASA太阳动力学天文台(SDO)拍摄2012年金星凌日中的紫外线假色影像(左)和可见光影像(右)。

金星凌日是指位于太阳地球之间的行星金星直接从太阳的前方掠过,成为太阳表面的可见暗斑(并且遮蔽一小部分太阳对地辐射)的天文现象。当日发生时,从地球可以看见金星是在太阳表面上移动的一个黑色暗斑。这类凌日的时间通常以小时计(2004年和2012年的金星凌日持续的时间都超过6小时)。凌日类似于月球造成的日食。虽然金星的直径几乎是月球的4倍,但是因为它比月球更远离地球,并且通过太阳前方的速度也比月球慢,因此以在太阳前掠过时形状更小、速度更慢。通过观察金星凌日,科学家可以利用视差的原理计算太阳和地球之间的距离[1]

金星凌日是罕见但可以预测的天文现象。它们以243年的周期重复相同的模式。金星凌日发生的模式是“成双成对”的,相邻的“一对”金星凌日事件之间间隔8年,而不同的“两对”事件之间则有漫长的121.5年和105.5年的间隔。这种周期性反应出地球和金星公转周期的8:13和243:395轨道共振的事实[2][3]

最近两次的金星凌日是2004年6月8日2012年6月5-6日。之前的一对是1874年12月和1882年12月,而在2012年后,下一对的金星凌日会发生在2117年和2125年的12月[4][5][6]

金星凌日在历史上曾经有极重要的科学意义,因为天文学家经由观测金星凌日首次对太阳系的大小进行计算。天文学家对1639年金星凌日英语Transit of Venus, 1639的观测结合了恒星视差的原理,获得了比之前更为精确的日地距离[7]。2012年金星凌日让天文学家获得大量研究机会,尤其是让搜寻太阳系外行星的技术能更加精进[8]

要安全地观测金星凌日,可以采用和观测日偏食时相似的保护眼睛措施。如果不做安全保护措施就直视太阳表面(光球)的话,会迅速对眼睛造成永久性的严重伤害[9]

简介

金星凌日和地球公转轨道平面的关系图,两平面的夹角造成金星凌日的现象。

尽管太阳、金星和地球每隔584天就会大致排成一线,但金星绕日公转的轨道平面对黄道面(地球绕日公转的轨道平面)成3.4度的倾角,因此在金星、太阳和地球三者大约成一直线的时候,金星通常是从太阳的上方或下方通过[10]。只有在金星下合的时候经过与黄道平面的交点,金星通过黄道面,才会发生凌日的现象。虽然轨道平面的倾斜只有3.4°,但是当下合时,金星可以在太阳上方或下方9.6°远处[11]。由于太阳的角直径大约是0.5°,因此金星在下合时可以远离太阳达到18倍的太阳视直径[10]

金星凌日的一种模式是以243年的序列周期重复着。在经过这个周期后,金星和地球都回到几乎相同的轨道相对位置上。地球的243个恒星轨道周期(一个周期约365.25636日)总和为88757.3日,与395个金星恒星轨道周期(一个周期约224.701日)的88756.9日几乎相同,因此。这个周期时间相当于152个金星的会合周期[12]

历次金星凌日之间间隔的105.5年、8年、121.5年、8年循环并非243年周期中唯一的发生模式,这是因为金星和地球相对位置为下合的时间有些微差异。1518年以前金星凌日的发生间隔是8年、113.5年和121.5年循环;而546年以前则大多间隔121.5年,但有两个8年的间隔。目前的循环模式将持续到2846年,之后被105.5年、129.5年和8年循环模式取代。因此,243年的周期是相对较稳定的,但周期内历次凌日之间的间隔时间与发生次数会有变化[12][13]。因为地球与金星的恒星轨道周期243:395的通约性只是近似,243年周期内会有不同的凌日发生时间间隔模式,并且每个模式都会持续数千年后被其他模式取代。例如前541年一个模式结束,而包含2117年凌日事件的模式则开始于1631年[12]

历史

古代和中世纪

新亚述时期亚述巴尼拔图书馆藏以楔形文字在黏土板上记录金星运动周期,作为星占预测的阿米萨杜卡金星泥板英语Venus tablet of Ammisaduqa[14]

古希腊古埃及巴比伦印度中国的观测者都知道金星和记录行星的运动。早期希腊人认为出现在早上和黄昏的金星是不同的两颗行星-赫斯珀勒斯是昏星,佛斯福勒斯是晨星[15]毕达哥拉斯确认它们是同一颗行星。但是没有证据表明这些文明古国知道凌日的现象或事件。金星在古美洲文化是很重要的,特别是玛雅文化,他们称它是“Noh Ek”(大亮星)或“Xux Ek”(暴躁之星)[16];他们将金星具体化成为她们的神:库库尔坎(在墨西哥的其它地区也称为库库马茨英语Q'uq'umatz魁札尔科亚特尔,是有着羽毛的羽蛇神)。在德累斯顿抄本英语Dresden Codex,玛雅人绘制了完整的金星周期,尽管他们对金星的路径有着精确的知识,但并没有提到凌日[17]。然而,在玛雅潘中发现的壁画显示可能记录了发生于12或13世纪的金星凌日记录[18]

最早关于金星凌日现象的记载来自阿拉伯自然科学家哲学家法拉比。他在一张羊皮纸上写道:“我看见了金星,它像太阳面庞上的一粒胎痣。”如果这是真实的,那么,法拉比看到的是在910年11月24日发生的金星凌日[19]。另外,840年时伊斯兰科学家阿尔·法甘尼英语Ahmad ibn Muhammad ibn Kathīr al-Farghānī也记录观测到金星凌日,不过今日一般认为是将太阳黑子误认[20]

1639年金星凌日:首次科学性观测

杰雷米亚·霍罗克斯观测1639年的凌日英语Transit of Venus, 1639,该想像图由威廉·理乍得·拉凡德英语William Richard Lavender绘于1903年。

1627年德国天文学家约翰内斯·开普勒首次预测了在1631年12月7日发生的金星凌日。他的方式并不甚准确,并且当时大部分的欧洲不可见该次凌日,因此无人根据他的预测进行观测[21]

首次有纪录的科学性观测金星凌日是由杰雷米亚·霍罗克斯在位于英格兰普雷斯顿附近马兹胡尔英语Much Hoole的住所卡尔故居英语Carr House对发生于1639年12月4日(儒略历11月24日)的凌日进行观测。他的朋友威廉·克拉布特里英语William Crabtree也在曼彻斯特附近的布劳顿英语Broughton, Salford进行观测[22]。开普勒曾经预测1631和1761年发生的金星凌日,并几乎错失了1639年的凌日。霍罗克斯修正了开普勒的金星轨道计算,得到金星凌日会有成对的8年间隔,因此预测1639年将有凌日事件[23]。虽然霍罗克斯当时并不确定精确发生时间,但计算出将会在当地时间约15:00左右发生。霍罗克斯使用一台简单的望远镜将太阳影像投影在纸上以安全观测。在观察了大半个白天后,他幸运看到了金星在大约15:15,正好是日落前半小时左右看到金星行经太阳的盘面上。霍罗克斯的该次观测让他得到足够的资料估算金星的体积,并计算太阳与地球的平均距离,即距离单位天文单位。当时他的计算结果是9560万千米(0.639天文单位),虽然仅有今日的值1.496亿千米的三分之二,但已是当时最准确的值。而这些结果直到霍罗克斯去世后的1661年才出版[23]

1761和1769年金星凌日[编辑]

爱德蒙·哈雷于1716年提交到皇家学会文章中图示如何以观测金星凌日方式计算日地距离。
量测金星凌日持续时间以确定太阳的视差

1663年,苏格兰数学家詹姆斯·格雷果里在他的着作《Optica Promota》中建议可以在地球上距离甚远的多个地点观测水星凌日以计算太阳的视差,就可使用三角测量计算出日地平均距离。意识到这一点,当时一位年轻的天文学家爱德蒙·哈雷于1677年在圣赫勒拿岛观测了一次水星凌日。但让他失望的是,当时除了他以外只有另一个地点在进行这样的观测,因此当时的视差值45" 并无法确认是否准确。之后哈雷在1691年出版的论文,和他修改过在1716年出版的论文中建议观测金星凌日可以得到更精确的结果,虽然当时最近的金星凌日在1761年[24][25]。哈雷于1742年逝世,但在1761年时有多个探险队在世界各地进行金星凌日的精确观测以进行哈雷建议的计算,这也是早期的国际科学合作案例[26]。为了观测到第一组成对的金星凌日事件,来自英国、奥地利和法国的科学家前往世界各地,例如西伯利亚、挪威、纽芬兰和马达加斯加[27]。大部分的观测活动都观测到了凌日的部分过程,也有耶利米·迪克森英语Jeremiah Dixon查尔斯·梅森英语Charles Mason好望角成功观测的案例[28]

米哈伊尔·瓦西里耶维奇·罗蒙诺索夫于1761年6月6日(儒略历5月26日)观测金星凌日纪录《The Appearance of Venus on the Sun, Observed at the St. Petersburg Imperial Academy of Sciences On 26 May 1761》中的图示。

俄罗斯科学家米哈伊尔·瓦西里耶维奇·罗蒙诺索夫根据1761年在圣彼得堡科学院观测金星凌日的结果,得到金星大气层存在的结论[29]。他使用两个消色差透镜和一个弱太阳滤镜(烟熏玻璃)进行观测,并且报告金星开始离开太阳盘面时观测到光的隆起或突起,即“罗蒙诺索夫的弧”。罗蒙诺索夫因此判定这现象是太阳光通过金星大气层折射而发生;他还报告金星开始进入太阳盘面时,金星部分区域出现条状物环绕[30]。2012年,杰·帕萨切夫英语Jay Pasachoff和威廉·希恩[31]提出报告,指出基于帕萨切夫和麦可·施耐德于2004年观测金星凌日所得到的金星大气层状况,罗蒙诺索夫当年所观测到的状况应非金星大气层造成。一组研究人员因此决定重建罗蒙诺索夫当年以老式折射望远镜观测该次凌日的实验,并以该方式观测发生于2012年6月5日至6日的金星凌日作为决定性测试[32]。该组天文学家观测到了“罗蒙诺索夫的弧”和其他光环效应,并认为是金星大气层所造成;最后的结论是,如果罗蒙诺索夫于1761年发表的论文中提及的适当观测技术被应用,他的望远镜完全足以观测金星进入和离开太阳盘面时在金星周围产生的弧状光线[33][34]

戴维·里滕豪斯于1769年观测金星凌日的图示。

1769年金星凌日发生时,天文学家前往加拿大、下加利福尼亚半岛圣何塞得卡波英语San José del Cabo塔希提挪威进行观测[35]捷克天文学家克里斯蒂安·迈尔英语Christian Mayer (astronomer)接受叶卡捷琳娜二世的邀请,前往圣彼得堡安德斯·约翰·勒克色尔英语Anders Johan Lexell一起观测,而其他俄罗斯科学院的天文学家则在斯捷潘·鲁莫夫斯基英语Stepan Rumovsky的总体规划下分散在俄罗斯帝国其他8个不同地点进行观测[36]。匈牙利天文学家马克西米利安·黑尔英语Maximilian Hell和他的助手亚诺什·沙伊诺维奇英语János Sajnovics接受丹麦国王克里斯蒂安七世的委任,前往挪威瓦尔德进行观测。威廉·威尔士英语William Wales (astronomer)和约瑟夫·戴蒙德(Joseph Dymond)接受皇家学会的任务前往加拿大哈德逊湾进行观测。美国哲学会在费城建立了三个临时观测站,并成立了以戴维·里滕豪斯为首的委员会统筹观测。观测结果都在美国哲学会第一卷会报中一起出版于1771年[37]

天文学家于1769年在塔希提观测金星英语1769 Transit of Venus observed from Tahiti的地点现在被称为“金星角”(Point Venus)[38]。该次观测是在詹姆斯·库克第一次远航英语First voyage of James Cook期间[39],前往新西兰澳大利亚之前。

让-巴蒂斯特·沙普·达奥特罗什英语Jean-Baptiste Chappe d'Auteroche和另外两位西班牙天文学家文森特·德道茨(Vicente de Doz)、萨尔瓦多·德梅迪纳(Salvador de Medina)前往新西班牙圣何塞得卡波英语San José del Cabo进行观测。观测结束后不久他染上黄热病而身亡[40]。28人的观测队伍只有9人得以回家[41]

1769年金星凌日中纪录的黑滴现象
1882年金星凌日英语Transit of Venus, 1882纪录。

纪尧姆·勒商蒂英语Guillaume Le Gentil旅行了8年时间试图观测到金星凌日,但不幸的是,他不成功的旅行让他失去了妻子和财产,甚至一度被宣告死亡(剧作家莫琳·亨特英语Maureen Hunter以他的旅行事迹为基础创作了歌剧《金星凌日英语Transit of Venus (play)》)[27]。天文学家鲁杰尔·博斯科维奇英语Roger Joseph Boscovich受到皇家学会的影响前往伊斯坦布尔观测,但到达时金星凌日已经结束[42]

不幸的是,当时的技术因为无法克服今日我们所知道的“黑滴现象”影响,无法得知足够准确的凌日开始和结束时间。这现象长期以来被认为是金星浓厚的大气层造成,并且原本被认为是金星有大气层的第一个证据。不过,近年的研究则显示这应是地球大气层的湍流或观测仪器的缺陷对金星影像的不良影响[43][44]

1771年时,法国天文学家杰罗姆·拉朗德结合1761和1769年的金星凌日观测数据计算出1天文单位相当于1.53亿千米(误差±100万千米)。虽然精确值因为黑滴现象小于原本的期望值,但大幅改进了霍罗克斯的计算值[27]

马克西米利安·黑尔于1770年在哥本哈根出版了他的观测结果[45]。之后他基于自己、威尔士和库克的观测资料,于1772年提出的天文单位值是1.517亿千米[46][47]。拉朗德质疑黑尔该次观测资料的精确度和真实性,但之后他于1778年将自己发表的论文从《学者期刊英语Journal des sçavans》撤回。

1874和1882年金星凌日[编辑]

1874和1882年的金星凌日观测让天文单位的值更加精确。数个探险队到南印度洋凯尔盖朗群岛观测1874年金星凌日英语Transit of Venus, 1874[48][49]西蒙·纽康结合当时最近四次金星凌日观测资料计算出天文单位的值是1.4959亿千米(误差±31万千米)。现代的天文单位精确值测量方式有从空间探测器发射电波的遥测术英语Telemetry、对太阳系中小行星或行星发射雷达讯号都可以测量到更精确的值,误差±30万千米。因此今日视差计算的方式已被取代[27][44]

2004年6月8日金星凌日

2004年在以色列德加尼亚阿列夫英语Degania Alef观测的金星凌日。

欧洲南方天文台主导的数个科学组织所组成团队建立了由业余天文学家和学生组成的观测网络,以观测2004年金星凌日的方式测量日地距离[50]。天文学家以参加者的观测资料计算出天文单位的精确值为1.49608708 ± 0.00011835亿千米,误差只有0.007%[51]

因为金星凌日时金星通过太阳盘面,会使太阳亮度小幅下降,天文学家因此对2004年金星凌日感兴趣,因为这是使搜寻太阳系外行星的技术更加精进的机会[44][52]。当时搜寻系外行星的方式只适用于寻找少数几种行星:类似木星的巨大行星,而非类似地球的小型行星。因为巨大的行星才足以让天文学家分辨恒星的摆动是自行径向速度变化造成的多普勒效应。极为靠近母恒星的热木星在通过恒星盘面前方时会使恒星亮度下降;或者通过背景恒星前的行星与其母恒星时的环境相当类似爱因斯坦环的形成环境,可侦测行星产生的微引力透镜[53]。行星通过母恒星盘面前方时会使恒星的亮度小幅下降,因此量测亮度的变化应相当敏感,并且有潜在性的机会搜寻到更小的行星[44]。但是量测的精确度必须要更高:例如金星凌日时太阳的视星等只下降了约0.001,而体积较小的太阳系外行星凌星时使母恒星亮度降低的量也相当低[54]

2012年6月5日至6日金星凌日

发生于2012年6月6日的金星凌日,最左侧的圆形黑点是金星,其他黑色斑点是太阳黑子
2012年6月6日使用太阳滤片所拍摄的金星凌日序列,左下角小黑点是金星,太阳盘面上其余黑点为当日的太阳黑子

2012年的金星凌日给科学家带来珍贵的研究机遇。这次的观测会给太阳系外行星的研究提供宝贵的经验与资料。2012年金星凌日的研究内容包括[55][56][57]

  • 量测已知的行星通过太阳盘面时的亮度下降率可以帮助天文学家以类似方式发现系外行星。和2004年的金星凌日不同的是,2012年恰巧是太阳活动活跃的年份,这就给了天文学家一次获得经验的机会:通过这次观测,天文学家可以总结观测活跃的恒星的经验,应用在系外行星的观测中。
  • 在凌日中量测金星的视直径并和金星的真实直径比较,可让天文学家知道如何推测系外行星的体积。
  • 天文学家以地面望远镜和环绕金星的金星特快车同时对金星观测,让天文学家有更好的机会了解金星的中层大气层,并且效果将胜于单从地面或探测器观测。这将可获得地球等行星气候的新信息。
  • 对已有充分了解的金星大气层进行光谱分析并摄影取得资料,可以和尚未了解大气层性质的系外行星进行比较。
  • 哈勃太空望远镜无法直接对太阳观测,因此会观测金星凌日发生时,月球表面反射光线的变化情况,从而对其与进行掠过太阳表面的过程进行比对以研究金星大气层成分。类似技术将可用来研究太阳系外行星。

地球之外的金星凌日

火星木星土星天王星海王星同样有金星凌日之天文现象[58],可参见金星凌日 (火星)金星凌日 (木星)金星凌日 (土星)金星凌日 (天王星)金星凌日 (海王星)

金星凌日列表

公元前2000年到公元4000年的所有金星凌日事件列表,请参阅美国国家航空航天局的“6000年金星凌日目录”(Six Millennium Catalog of Venus Transits)页面[59]

目前金星凌日只在6月或12月发生(见下表),而每次凌日发生的时间会缓慢变动,而每243年发生时间就会增加约2日[12][注 1]。凌日通常是成对出现,并且8年间隔凌日的发生日期几乎相同。原因是因为地球的8年几乎等于金星的13个公转周期,所以每8年地球和金星的相对位置几乎都相同。这种近似的行星合经常使金星凌日成对发生,但它不足以准确到产生三重的凌日事件,因为金星每次会提早22小时到合的位置[12]。上一个不成对出现的凌日事件在1396年,下一个将在3089年。在2854年(2846/2854年这对凌日事件的第2个)的凌日事件无法在地球赤道看到,但在南半球部分区域可见到部分过程[60]

过去的金星凌日
金星凌日
金星凌日
日期
时间(UTC 备注 凌日路径
英国航海
天文历
编制局
英语HM Nautical Almanac Office
初凌 凌甚 复圆
1396年11月23日 15:45 19:27 23:09 上一个不成对出现的凌日事件。 [61]
1518年5月25–26日 22:46
5月25日
01:56
5月26日
05:07
5月26日
[62]
1526年5月23日 16:12 19:35 21:48 望远镜发明以前最后一次金星凌日。 [63]
1631年12月7日 03:51 05:19 06:47 开普勒预测的凌日。 [64]
1639年12月4日 14:57 18:25 21:54 霍罗克斯和克拉布特里首次进行科学观测的凌日。 [65]
1761年6月6日 02:02 05:19 08:37 罗蒙诺索夫和达奥特罗什等人在俄罗斯观测。迪克森和梅森等人在好望角观测。 [66]
1769年6月3 - 4日 19:15
6月3日
22:25
6月3日
01:35
6月4日
库克在他的第一次远航中在塔希提观测。达奥特罗什前往下加利福尼亚半岛。黑尔前往挪威。 [67]
1874年12月9日 01:49 04:07 06:26 彼得·塔基尼英语Pietro Tacchini带领队伍前往印度 Muddapur 观测。一个法国探险队英语1874 Transit of Venus Expedition to Campbell Island前往新西兰所属坎贝尔岛另有一个英国探险队英语1874 Transit of Venus Expedition to Hawaii前往夏威夷群岛 [68]
1882年12月6日 13:57 17:06 20:15 约翰·菲利普·苏沙编写了《金星凌日进行曲英语Transit of Venus March》 以纪念该次凌日[44] [69]
2004年6月8日 05:13 08:20 11:26 全世界各种媒体网络进行该次凌日的现场直播。 [70]
2012年6月5 - 6日 22:09
6月5日
01:29
6月6日
04:49
6月6日
在整个太平洋地区和东亚全程可见,北美洲可见到凌日开始过程,欧洲则是结束过程。第一次凌日时有空间探测器环绕金星。 [71]
未来的金星凌日
金星凌日
金星凌日
日期
时间(UTC 备注 凌日路径
(英国航海
天文历
编制局)
初凌 凌甚 复圆
2117年12月10–11日 23:58
12月10日
02:48
12月11日
05:38
12月11日
中国东部、日本、台湾、印尼、澳大利亚全程可见。美国西海岸、印度、大部分非洲和中东可见部分过程。 [72]
2125年12月8日 13:15 16:01 18:48 整个南美洲和美东可见全程。美西、欧洲和非洲可见部分过程。 [73]
2247年6月11日 08:42 11:33 14:25 欧洲、非洲、和中东可见全程。东亚、印尼、北美和南美可见部分过程。 [74]
2255年6月9日 01:08 04:38 08:08 俄罗斯全境、印度、中国和西澳大利亚可见全程。非洲、欧洲和美国西部可见部分过程。 [75]
2360年12月12–13日 22:32
12月12日
01:44
12月13日
04:56
12月13日
澳大利亚全境和印尼大部分区域可见全程。亚洲、非洲和美国西部一半区域可见部分过程。 [76]
2368年12月10日 12:29 14:45 17:01 南美洲全境、西非和美国东岸可见全程。欧洲、美国西岸和中东可见部分过程。 [77]
2490年6月12日 11:39 14:17 16:55 大部分的南/北美洲、西非和欧洲可见全程。东非、中东和亚洲可见部分过程。 [78]
2498年6月10日 03:48 07:25 11:02 大部分的欧洲、亚洲、东非和中东可见全程。南/北美洲东部、印尼和澳大利亚可见部分过程。 [79]

随着长时间的周期经过,新的凌日序列开始时将取代旧的序列。和月食沙罗序列不同的是,被取代的旧序列可能会在某个时间重新开始,并且凌日序列的持续时间也远比沙罗序列长[80]

从太阳边缘擦过的凌日

凌日的过程中,金星可能只从太阳边缘擦过。这种情况下凌日区域可能只有部分地区能看到完整凌日过程,其他的只能看到部分过程(无第二与第三接触点)。上一次的这种状况发生在1631年12月6日,下一次则是2611年12月13日[12]。只有昼半球部分区域能看到部分过程凌日,其他区域金星不从太阳盘面前经过的状况也可能发生。上次的此种情形在前541年11月19日发生,下一次则是2854年12月14日[12]。这些效应的发生是因为视差,因为地球的体积让各地观测者以不同的视线观测金星与太阳。这可以透过闭上双眼其中一只眼和一根手指在较远处物体前方证明。当交替闭上双眼的其中一眼时,手指的位置将会变化。

其他同时发生的凌日现象

同时出现水星凌日和金星凌日是可能的,但极为罕见。这样的事件上一次发生在前373173年9月22日,之后会在69163年7月26日和224508年3月29日[81][82]。极罕见的日食和金星凌日同时发生也是有可能的。下一次金星凌日期间发生日食将会在15232年4月5日[81],而上一次则是前15607年11月1日[83]。另外,1769年6月3日金星凌日之后一日发生日全食[84],该次日全食在北美洲、欧洲和北亚洲可见。

相关条目

天文学主题
太阳系主题

进阶读物

解释说明

  1. ^ 虽然1631年以前的凌日发生在5月和11月,但那是因为1582年10月15日儒略历改为今日西历,部分日期被跳过所造成。

参考资料

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