金星凌日

金星凌日是指太陽和地球之間的行星金星像暗斑一樣掠過太陽盤面，並且遮蔽一小部分太陽對地輻射的天文現象。這類天文現象可能會持續數小時。金星凌日的原理與月球造成的日食一樣。雖然金星的直徑幾乎是月球的3.5倍，但由於它離地球更遠，因此它遮蔽的太陽面積就非常小。科學家可以透過觀察金星凌日估算太陽和地球之間的距離。在火星、木星、土星、天王星及海王星等地外行星同樣可以觀察到凌日這一天文現象。金星凌日是種罕見的天文現象。在最近的近兩千年時間裡，它會以243年的週期迴圈往復：一個週期內會出現間隔8年的兩次金星凌日；這對金星凌日與前後兩次金星凌日的相隔時間分別為121.5年或105.5年。之所以會存在這種週期性規律，是因為地球和金星恆星軌道週期比約為8:13或243:395。最近兩次金星凌日發生在2004年6月8日和2012年6月5日至6日。之前一次金星凌日要追溯到1882年12月，下一次則要等到2117年12月才會到來。金星凌日觀測在歷史上曾經有極為重要的科學意義。天文學家曾經利用金星凌日的觀測結果，結合恆星視差原理，獲得了比之前更為精確的天文單位的數值。2004年和2012年的金星凌日探測對於尋找太陽系外行星以及探測系內行星環境等方面的研究都有所助益。金星凌日雖然用肉眼可以觀測到，但為了安全起見，最好採用觀測日食時使用的蒸鍍有鋁、鉻或是銀塗層的減光濾片觀測。不過濾片也不能將有害光完全濾去，因而最好在觀測過程中時常休息。使用望遠鏡觀測時，為了降低失明風險，務必採用減光濾鏡或是透過投影間接觀測。凌日過程.在凌日過程中，金星會像小黑斑一樣自東向西穿過太陽表面，同時像日食中的月球那樣遮蔽部分太陽輻射。發生日全食時，月球的視直徑與太陽的相等，約為30′。凌日過程中，金星視直徑為1′左右，不足太陽視直徑的1/30。儘管金星半徑與地球近似相等，約為月球的4倍，但金星與地球最近距離也為4,100萬千米左右，比地月平均距離要大一百多倍，因而其視直徑也就要比日全食時的月球小很多。凌日開始前，金星會緩緩接近太陽東側。但由於此時是金星夜半球一側面向地球，因而地球上的觀測者並不能看到這一過程。隨後金星開始從外側接觸太陽。這一時刻叫作“第一接觸”。金星接著開始進入太陽表面。其剛好進入太陽內側的時刻稱作“第二接觸”。第一接觸與第二接觸之間相隔30分鐘左右。在這之後，金星向西穿過太陽表面。其中，金星與太陽表面中心距離最近的時刻叫作“凌甚”。金星開始接觸到太陽表面另一側邊緣的時刻叫作“第三接觸”。第二接觸與第三接觸的間隔時間會隨著金星穿過太陽表面路徑不同而有所變化。2004年與2012年的金星凌日中兩者間隔6小時左右。金星剛好完全離開太陽表面的時刻叫作“第四接觸”。第三接觸與第四接觸間隔時間約為30分鐘。由於金星凌日-{}-歷時較長，過程中日出或日落時有發生，因而能夠觀測到全過程的地方有時十分有限。第二接觸之後以及第三接觸之前會有一段時間，地球上的觀測者可能看到金星會像太陽邊緣附近的水滴一樣。這種現象叫作“黑滴現象”。天文學家曾經由於這種現象很難精準確定第二接觸與第三接觸的準確時刻。但近年的觀測過程中並沒有出現這一現象，因而其有可能只是由儀器存在的失焦等缺陷造成的。產生條件與週期規律.儘管太陽、金星和地球每隔584天就會大致排成一線，但由於金星公轉軌道平面與地球公轉軌道平面成3.4度的傾角，因此金星在三者大約成一條直線的時候，通常會從太陽上方或下方透過。金星只有在下合經過地球公轉軌道平面的時候才有可能發生凌日現象。一般當地球太陽連線與金星太陽連線夾角小於0.25°時，金星凌日就會發生。不過即使在下合時，金星還是有可能從太陽上方或下方9.6°遠處掠過。地球243個恆星軌道週期的總和88,756.9日幾乎相等。因而一次金星凌日後243年一般會再次發生金星凌日。因此可以類比月食和日食的沙羅序列將相隔243年的金星凌日編為一個序列。由於每次地球與金星相對位置相同的週期與243年之間也存在一定偏差，也就是說相隔243年的兩次金星凌日發生時，地球與金星的相對位置並不完全相同。經過相當長的時間後，地球與金星之間的相對位置可能不足以產生金星凌日，這個序列隨即終結。一個序列的存在時間可能會相當長，比如始於前1763年、終於2854年的金星凌日序列就存在了4,600多年。凌日通常會成對出現，相隔時間約為8年。這是由於地球公轉8次的時間。最近1,700年記憶體在的金星凌日序列有四個：3號、4號、5號以及6號。它們以4→3→5→6→4的方式迴圈出現，間隔分別為121.5年、8年、105.5年、8年。近期的金星凌日只在6月或12月發生。每次凌日發生的時間會緩慢變動：每243年會推後2天左右。觀測史.古代和中世紀.古希臘、古埃及、巴比倫、印度和中國的觀測者都知道金星並記錄過其運動。古希臘人曾認為出現在早上和黃昏的金星是不同的兩顆行星——赫斯珀勒斯是昏星，佛斯福勒斯是晨星。畢達哥拉斯後來發現它們是同一顆行星。但是沒有證據表明這些文明古國知道金星凌日這一現象。金星在古美洲文化中，特別是瑪雅文化，具有重要的地位。瑪雅人將金星稱作「大亮星」。德累斯頓手抄本中有瑪雅人繪製的完整的金星週期表。在瑪雅潘中發現的壁畫可能有對發生於12或13世紀的金星凌日的記錄。有關金星凌日現象的最早記載可能是來自阿拉伯哲學家法拉比，但他看到的很有可能是太陽黑子。17世紀.德國天文學家約翰內斯·開普勒1629年預測了將於1631年發生的水星凌日與金星凌日。儘管依據他的計算結果，該次金星凌日最佳觀測地會是美洲大陸，但他還是在1629年出版的小冊子《難再盛年》之稱。為提高對於接觸時刻觀測精度，此次金星凌日觀測用到了攝影技術，但所得到的結果並沒有因此相比18世紀得到太大改善。英國並沒有得到較好的相片。美國儘管拍到了多張非常清晰的金星經過太陽表面過程的照片，但較為關鍵的接觸時刻的照片還是受到了黑滴現象的影響。這些照片也因此沒有太大的價值。關於太陽視差值，美國得到的結果為8.883±0.034″，法國的則為8.81±0.06″。1882年金星凌日.1874年的失敗令天文學家對於1882年的金星凌日不再熱情高漲。德國天文學家約翰·格弗裡恩·伽勒也在1875年透過對小行星花神星的觀測得到了更為精確的太陽視差，8.873″。曾經領導美國海軍天文臺1874年觀測活動的西蒙·紐康也不再認為金星凌日觀測是測定天文單位的最佳方法，1882年的觀測活動改由領導。儘管對於金星凌日的觀測價值存在疑問，歐美各國還是向世界各地派去了觀測隊。1881年10月，統籌各國觀測計劃的國際會議在巴黎召開，14個國家出席了此次會議。美國雖然沒有出席此次會議，但也繼續派遣了觀測隊。紐康也率領了一支觀測隊前往南非。與1874年金星凌日不同的是，歐洲國家與美國也能觀測到此次金星凌日，因而出現了普通民眾聚集在城市的廣場中集體觀測金星凌日的盛景。《紐約時報》自1881年至1883年持續地報道了此次金星凌日的相關新聞，包括金星凌日的觀測史與觀測方法，各國對1882年金星凌日的觀測計劃。這顯示了公眾對於此次金星凌日的熱情。美國海軍天文臺1882年的觀測結果相比於1874年有了較大的改善，拍攝的照片有1380張之多。1889年，哈克尼斯基於此次美國的觀測結果得到的太陽視差為8.842±0.0118″。紐康結合之前四次金星凌日的觀測結果計算出太陽視差為8.794±0.0018″，而天文單位則為1.4959億公里。不過紐康此時考察了包括金星凌日觀測在內的測定太陽視差的方法。他認為普爾科沃天文臺所使用的光行差方法可能要優於金星凌日觀測。21世紀.隨著科學的發展，日地距離精確值可以透過更為先進的技術確定，比如空間探測器。因此天文學家已經不再使用視差方法來提高精確度。對太陽系中的其他行星或小行星發射雷達訊號也可以得到更精確的值，比如天文學家從1961年與1962年對於金星的雷達觀測中得到天文單位的數值為1.495985±0.000025億千米。現在，天文單位不再定義為日地距離，而是常數149,597,870.700千米。2004年金星凌日.儘管金星凌日觀測的科學意義不復以往，這一罕見的天文現象還是吸引了大量民眾參與觀測。歐洲南方天文臺與等組織共同籌劃了國際性的金星凌日教育專案，VT-2004。這個專案的中心環節之一就是利用傳統的視差方法再次測算天文單位的數值。天文學家依據1,510名參加者觀測到的4,550個接觸時刻計算出天文單位的精確值為1.49608708 ± 0.00011835億公里，與公認值的誤差只有0.007%。黑滴現象也是此次金星凌日觀測各方關注的問題。目前對於黑滴現象成因的主流意見是過去的望遠鏡存在效能缺陷。參與VT-2004的觀測者在測定接觸時刻時大多沒有受到黑滴效應的影響，提交的大多數照片中也沒有出現黑滴效應。學術界也對這一問題做了一些研究。傑伊·帕薩切夫等人分析了NASA的太陽過渡區與日冕探測器對1999年水星凌日以及2004年金星凌日的觀測結果，並發現太陽的周邊昏暗現象也是黑滴效應成因之一。由於金星在透過太陽盤面時會使太陽亮度小幅下降，2004年金星凌日激起了天文學家的興趣，因為這有助於他們精進搜尋太陽系外行星的技術。當時的搜尋系外行星的方式只適用下列幾種行星：引力場足以令恆星的自行或徑向速度的都卜勒效應產生明顯變化的巨大行星；與母星非常近，且會使其亮度下降的巨大行星；透過背景恆星時，與母恆星分離產生類似愛因斯坦環或微引力透鏡現象的行星。測量金星凌日的儀器對於亮度變化相當敏感，因為行星透過母恆星盤面前方時，恆星亮度下降幅度相當小：例如太陽在金星凌日時視星等只下降了約0.001。而這也為搜尋到較小的系外行星創造了條件，因為較小的系外行星在凌星時也會使母恆星亮度小幅下降。2012年金星凌日.此次金星凌日也吸引了大量民眾參與觀測。NASA的太陽動力學天文臺以及JAXA的日出衛星都拍攝了金星凌日過程的超高解析度影像。從它們拍攝的照片中可以看到黑色的金星周圍包圍著細細的光暈。這種現象正是羅蒙諾索夫觀測到的由太陽光穿過金星大氣層發生折射造成的那種現象。此外，法國的天文學家組織了名為“金星暮光實驗”的研究專案。他們希望能夠透過對光暈現象的觀測與研究來更為深入地瞭解金星大氣層。儘管2004年的觀測中也出現了光暈現象，但當時對於這種現象的觀測與分析技術並不到位。天文學家透過地面上的以及金星快車衛星的觀測結果瞭解了金星大氣層的豎直分佈。2012年金星凌日還對系外行星的研究有所幫助。與2004年的金星凌日不同的是，2012年恰巧是太陽活動活躍的年份。對於此次金星凌日中太陽亮度下降幅度的測定讓天文學家獲得了觀測活躍恆星的經驗。哈勃太空望遠鏡也透過月球表面的反射間接地觀測了金星凌日。科學家透過這一觀測結果得到了金星的光譜特徵。這些技術都可以用在系外行星的研究中。較為近期的金星凌日.下表展示了最近1000年內發生的金星凌日的概況。較為特殊的金星凌日.有時金星凌日只在太陽的邊緣掠過。在這種情況下，在地球上依然有一些地區可以看到完整的凌日，一些地區可以看到部分的凌日造成金星相對於太陽的視差，使金星相對於太陽的相對位置略有不同的結果。你可以將手臂伸直豎起一隻手指，分別以左眼和右眼來觀測手指相對於手指後方不遠處背景的位置改變來體驗。水星凌日也可以和金星凌日同時發生，但更為罕見。上一次要追溯到28萬年前，下一次發生在69,163年7月26日和224,508年3月29日。日食和金星凌日也有可能同時發生，同樣也非常罕見。下一次在金星凌日時發生日食的時間是15,232年4月5日，上一次是在西元前15,607年11月1日。在1769年6月3日金星凌日的第二天發生在北美洲、歐洲和北亞都可以看到日全食。相關文藝作品.托馬斯·哈代1882年出版的戀愛小說《》的主人公就是位參與過金星凌日觀測的業餘天文學家。約翰·菲利普·蘇薩曾為1882年金星凌日創作了《》。蘇薩也藉此曲向1878年逝世的美國物理學家約瑟·亨利致敬。這些都反映當時公眾對於金星凌日的關心程度。1992年，創作了話劇《》。該劇取材於參與1761年與1769年金星凌日觀測的勒讓蒂的種種經歷。2007年該劇被改編為同名歌劇。托馬斯·品欽1997年發行的小說《梅森和迪克森》講述了二人觀測金星凌日的經歷，並以二人之後勘定的梅森-迪克森線為線索描繪了革命前夕的英屬北美殖民地。2009年發行的英國電視劇《神秘博士》的周邊有聲書《》講述的就是庫克出海遠行觀測金星凌日的故事。加拿大的寬限三天樂團在2012年金星凌日到來之際發行了專輯《》。2014年，該張專輯獲得了朱諾獎年度搖滾專輯提名。