金星的觀察和探索

金星的觀測包括古人和近代學者透過望遠鏡以及現代太空航天器的實地探察。太空航天器已對金星進行過多次飛越、環繞和登陸，包括漂浮在金星大氣層中的氣球探測器。與其他行星相比，金星與地球距離相對較近，這有助於對金星的研究，但金星表面被一層厚厚的不透明大氣層所遮蓋。觀察史與影響.作為天空中最亮的天體之一，金星在史前時代就已為人所知，因此，許多古代文化都記載有對金星的觀測。捷姆迭特·那色時期的一枚滾筒印章表明，古代蘇美爾人已知道，晨星和暮星為同一天體。蘇美爾人以女神伊南娜命名了這顆行星，伊南娜被後來的阿卡德人和巴比倫人稱為伊什塔爾，她兼有愛情和戰爭女神的雙重角色，因此代表了掌管生與死之神。現儲存最古老的天文一，是約公元前1600年巴比倫阿什城圖書館的“阿米薩杜卡金星泥板”，一份觀察金星出現21年的記錄。由於金星的運動顯得並不連續(因靠近太陽，它會一連消失好幾天，然後又出現在地平線上的另一處)，有些文明並沒意識到金星只是一顆單一之星，而是看作出現在地平線上的兩顆星：晨星和晚星。如古埃及人認為金星是兩顆獨立的天體，並將晨星稱為“蒂烏穆蒂裡”(Tioumoutiri)，而將晚星稱為“俄瓦伊提”(Ouaiti)。古希臘人稱晨星為“光明使者”(Φωσφφόρς)，拉丁化為福斯福羅斯或“黎明使者”(Ἐω∑φόρος)，拉丁化則為“厄俄斯福羅斯(Eosphoros)”；他們將晚星稱為“黃昏之星”(Ἓσπερος)，拉丁化為赫斯佩羅斯(Hesperos)。希臘化時期，古希臘人則將金星視為一顆行星，並以愛神阿佛洛狄忒(Αφροδίτη)命名(腓尼基人的阿斯塔爾塔)，這也是現代希臘語中保留的一個行星名。在“威斯佩耳”(Vesper)和“福斯福羅斯”(phosporos)被譯為路西法(光明使者)後，“赫斯佩羅斯”(Hesperos)在拉丁語中則成為一個外來詞。金星被瑪雅文明視作所觀測天體中最重要的一顆星，瑪雅人稱之為“查克埃克”(Chac ek)或“巨星”(Noh Ek)。瑪雅人密切監視金星的運動，並在白天對其觀測。金星和其他行星的位置被認為會影響地球上的生命，因此瑪雅人和其他古代中美洲文化根據他們的觀察來預測戰爭和其他重要事件。在德累斯頓手抄本中，瑪雅文化包括的一份曆書顯示金星的完整週期由每組為584天的5組單元構成(大約8年)，並以此模式重複迴圈(因為金星會合週期為583.92天)。瑪雅文明部分依據金星的運動發展出了一部瑪雅歷，並按照金星的運動來決定戰爭等事件的有利時機，他們還將金星命名“黃蜂之星”(Xux Ek)。瑪雅人掌握這顆行星的會合週期，並能計算到它一天之中的百分之一。相位.由於金星軌道位於地球和太陽之間，所以從地球上看到金星所呈現的相位，與地球上看月球非常相似。伽利略是1610年12月第一位觀測金星相位的人，他的觀測結果支援了當時哥白尼的太陽系日心說。他還注意到金星在不同階段視直徑的變化，這表明金星在滿月時離地球較遠，而在新月形時則更近。這一觀察結果有力地支援了日心模型。金星(以及水星)滿月時在地球上是看不到的，因為那時它正位於上合位置，伴隨著太陽一起上升和下降。因此，在耀眼的太陽光下難以看到它。當金星25%的圓盤面被照亮時，它的亮度達到最高，這通常發生在它上合之前(傍晚的天空)以及之後(早晨的天空)的37天中。盤面擴至最大時發生在上合之前和之後的70天左右，那時它是半滿的，介於這兩階段之間，只要觀察者明確知曉金星位於何處，實際上在白天也可看到它。該行星逆行的週期在上合點兩邊各為20天。由於施羅特效應(在1793年首次發現的)，事實上，金星盤面最大時從望遠鏡中去看，似乎比相位半滿時的要小。極少數情況下，即當金星與黃道距離達到最大值，同時又處於下合點時，金星實際上可一天看到二次，清晨(日出前)和傍晚(日落後)。此時，整個半球(北半球或南半球)在這兩個時刻都能看到它。最近出現過這種機會的時間，北半球是2001年3月29日左右的幾天內，而南半球則是在1999年8月19日前後。這種現象每八年重複一次，與金星的交合週期相一致。地基觀測.金星位於地球與太陽軌道正中間的凌日是罕見的天文現象。第一次預測和觀測到的凌日現象是由英國天文學家傑雷米亞·霍羅克斯和威廉·克拉伯特里(William Crabtree)看到並記錄下來的1639年金星凌日。而米哈伊爾·瓦西裡耶維奇·羅蒙諾索夫對1761年凌日的觀測則提供了金星存在大氣層的首個證據，19世紀金星凌日期間的視差觀測使地球與太陽之間的距離首次得以精確計算。金星凌日只發生在6月初或12月初，那二個時刻為金星穿過黃道(地球軌道平面)的二個點，每8年成對(兩次凌日)發生一次，每次間隔超過一個世紀。最近發生的一對金星凌日是2004年和2012年，而前一對金星凌日發生於1874年和1882年。在19世紀，許多觀察者都認為金星自轉週期大約為24小時。義大利天文學家喬凡尼·斯基亞帕雷利是第一位預測到金星自轉速度明顯較慢的人，並提出金星(包括水星也是)被太陽潮汐鎖定，雖然這兩者其實並非如此，但仍不失為相當準確的估測。金星的自轉及最接近地球時兩者產生的共振有助於形成這種鎖定印象，因為當金星處於最佳觀測位置時，它似乎總是朝向同一個方向。對金星自轉率的首次測量是在1961年的會合期間，由位於加利福尼亞州金石深空通訊的26米天線、英國卓瑞爾河岸天文臺以及位於克里米亞葉夫帕托里亞的前蘇聯深空設施所進行的雷達觀測。在隨後的每個交合點，主要是戈德斯通和葉夫帕托里亞的測量，其精確度都得到提升，而金星逆行自轉的事實直到1964年才得到證實。在20世紀60年代無線電觀測之前，許多人認為金星擁有一個蔥鬱茂盛的地球般環境，這是因為該行星的大小和軌道半徑極類似於地球，加之厚厚的雲層阻擋了表面的觀測。對金星的猜測包括它是一顆熱帶叢林般環境星球，或者擁有石油或液態碳酸水海洋。然而，克·邁耶(C.Mayer)等人的微波觀測表明金星溫度高達600 K，但奇怪的是，庫茲明(A.D.Kuzmin)所做的毫米波段觀測則表明金星溫度要低得多。這兩種相互矛盾的理論都解釋了這一異常無線電頻譜，一種認為高溫起源於電離層，另一種理論認為行星表面很熱。對金星的觀測表明，金星大氣層中所含磷化氫(PH3)濃度，比金星上任何已知的非生物高出1000倍。磷化氫是在金星表面至少30英里以上的高空被探測到的，主要集中於中緯度地區，在金星兩極沒有探測到，這表明金星上可能存在生物有機體。地面雷達測繪.繼月球后，金星是太陽系中第二顆被地球雷達探測的天體。首次研究是1961年在美國宇航局戈德斯通天文臺進行的，它是深空網路的一部分。在持續下合期間，戈德斯通和位於阿雷西博的國家天文學和電離層中心都對金星進行了觀測，開展的研究與早先穿過子午圈時的測量相似，1963年的那次曾揭示了金星的自轉方向為逆行(它的自轉方向與它繞太陽的方向相反)。透過雷達觀測也讓天文學家們測定到金星自轉週期為243.1天，其自轉軸幾乎與軌道平面垂直，還確定了該行星的半徑為6052公里(3761英里)，比之前用陸地望遠鏡所獲得的最好資料還精確70公里(43英里)。1970年至1985年間，成像技術的改進激發了人們對金星地質特徵的興趣。早期的雷達觀測僅僅表明金星表面比月球疏鬆的塵埃表面更緊實。從地球上拍攝的第一批雷達影象顯示了非常明亮(雷達反射)的高地，分別被命名為阿爾法區、貝塔區和麥克斯韋山脈。後來雷達技術的進一步改善使影象解析度達到1-2公里。航天器的觀測.另請 金星探測任務列表已有多艘無人飛船曾被髮射到金星，前蘇聯就有10艘探測器在金星表面實現軟著陸，並在表面通訊時間長達110分種，但都沒有返還。飛往金星的發射視窗每19個月就有一次。早期的飛越.1961年2月12日，蘇聯太空計劃“金星1號”是首艘被髮射到另一行星上的無人探測器。由於方位感測器過熱失靈，它在抵達最接近金星的10萬公里之前與地球失去了聯絡。然而，該探測器是首艘具備了所有星際飛行所必需功能的飛船：太陽能電池板、拋物面遙測天線、三軸穩定、航向修正引擎和首次從停泊軌道(parking orbit)發射。首艘成功的金星探測器是美國的水手2號飛船，它於1962年飛越金星，抵達35000公里以內。這是一艘經改進的徘徊者月球探測器，它確定了金星實際上沒有內部磁場，並測量出金星大氣溫度約為攝氏500°(773 K；華氏932°)。1964年，前蘇聯向金星發射了探測器1號(Zond 1)航天器，但在5月16日遙測通訊後就頻發故障。1967年美國的另一次太空飛越中，水手5號測量了金星的磁場強度。1974年，水手10號在經金星助推飛往水星途中，拍攝了雲層的紫外線照片，揭示了金星大氣中異常高的風速。早期的登陸.1966年3月1日，前蘇聯太空探測器金星3號墜落在金星表面，成為首艘到達另一行星表面的太空探測器，而它的姊妹飛船金星2號在完成飛越任務前不久因過熱而失敗。1967年10月18日，金星4號下降艙進入金星大氣層，成為第一艘傳回了另一行星大氣層直接測量資料的探測器。下降艙測量了溫度、壓力、密度，並11次自動分析了大氣化學成分，發現金星大氣中95%為二氧化碳(CO2)， 結合水手5號探測器的無線電掩星資料，顯示金星表面氣壓遠大於預期(達到75至100個大氣壓)。這些結果在1969年5月被金星5號和金星6號進行了驗證和修正，但截此為止，所有這些飛行任務沒有一次能在到達地表時仍保持正常通訊傳輸。金星4號的電池在緩慢漂浮於大氣層中時耗盡，而金星5號和金星6號則在離地表18公里(60000英尺)的高空被壓毀。1970年12月15日，金星7號首次成功登陸金星，它與地球保持23分鐘的聯絡，表面溫度為攝氏455°至475°(華氏855°至885°)。金星8號於1972年7月22日登陸，除傳回金星上的壓力和溫度分佈圖外，光度計還顯示金星分佈有一層距地表35公里(22英里)以上的厚雲層。伽馬射線能譜儀則分析了地殼的化學成分。著陸器/軌道器.金星9號10號.蘇聯探測器金星9號於1975年10月22日進入軌道，成為金星的第一顆人造衛星。一臺電池相機和光譜儀傳回了有關該行星雲層、電離層和磁層的資訊，並對地表進行了雙基地雷達測量。660千克(1455磅)重的下降艙從金星9號分離並著陸，拍攝了首張表面照片，並用伽馬射線光譜儀和密度計分析了地殼。在下降過程中，進行了壓力、溫度和光度測量，以及雲密度的後向散射和多角度散射(濁度計)測量。發現金星雲層共分為三層。10月25日，金星10號抵達金星表面並開展了相似的研究專案。先驅者金星計劃.1978年，美國宇航局向金星發射了兩艘先驅者航天器，先驅者號的任務由分別發射的兩部分組成：一艘軌道飛行器(先驅者金星1號或先驅者12號)和一艘聯合探測器(又稱先驅者金星2號或先驅者13號)。先驅者金星聯合探測器攜帶了1大3小4臺大氣探測器。大探測器釋放於1978年11月16日，三顆小探測器則於11月20日釋放。12月9日，四臺探測器全部抵達金星，協調世界時18點45分32秒，大探測器首先進入大氣層，接下來的11分鐘內分別是“北方”、“白晝”和“夜間”三臺小探測器相繼而入，隨後運載平臺於20點21分52秒進入大氣層，並在20點21分55秒距地表110公里(68英里)的高空處發回最後訊號。儘管事先預計探測器無法在穿過大氣層的下降過程中倖存下來，但仍有一臺探測器(“白晝”)在到達地面後繼續工作了45分鐘。1978年12月4日，先驅金星軌道飛行器(先驅者金星1號)被射入環金星的橢圓軌道，它進行了17項探測，一直執行到1992年8月其維持軌道高度的燃料耗盡，墜入大氣層而燒燬。蘇聯進一步的任務.也是在1978年，蘇聯金星11號和金星12號飛過金星，投下的下降艙分別於12月21日和12月25日著陸。但著陸器所攜帶的彩色攝像機和土壤鑽桿及分析儀不幸出現故障。每臺登陸器都用濁度計、質譜儀、氣相色譜儀和雲滴化學分析儀進行了測量。使用X射線熒光的雲滴化學分析儀意外地發現雲層中除硫外，還含有很高比例的氯，此外，還檢測到了大氣層中劇烈的閃電活動。1982年，蘇聯金星13號發回了第一張金星表面的彩色照片，並分析了所挖掘土壤樣本的X射線熒光。該探測器創下了在金星惡劣的表面環境中執行127分鐘的記錄。同樣在1982年，金星14號著陸器探測到該行星地殼中可能存在地震活動。1984年12月，當哈雷彗星返回時，蘇聯向金星發射了兩艘維加探測器。維加1號和維加2號於1985年6月與金星交匯，它們各投放了一臺著陸器和一隻載有儀器的氦氣球。兩隻氣球搭載的浮空探測器約在53公里的高空分別漂浮了46小時和60小時，相當於繞金星飛行了約1/3周長，使科學家們得以研究金星大氣層中最活躍部分的氣象變化，它們測量了風速、溫度、氣壓和雲層密度。發現了比預期更多的湍流和對流活動，包括偶爾暴跌1至3公里的下降氣流。登陸艙則主要側重於對雲層氣溶膠成分和結構的研究，每臺都裝有紫外吸入式光譜儀、氣溶膠粒徑分析儀以及收集氣溶膠物質並用質譜儀、氣相色譜儀和X射線熒光光譜儀進行分析的裝置。雲層的上兩層被發現是硫酸液滴，而下層可能是磷酸溶液。金星的地殼則透過土壤鑽探和伽瑪能譜儀進行了分析。由於著陸器上沒有攜帶相機，因此沒有傳回表面影象。它們將是數十年來最後一次登陸金星的探測器。維加飛船將繼續飛行9個月後與哈雷彗星會合，為這次任務它攜帶了另外14臺儀器和攝像機。1991-1994年，蘇聯與歐洲國家合作開發了多目標威斯塔(Vesta)任務，但由於蘇聯解體而取消，其中包括按照首個計劃向金星傳送一批氣球和小型著陸器。軌道器.金星15號16號.1983年10月，金星15號和金星16號進入環金星的極地軌道，拍攝了解析度為1-2公里(0.6-1.2英里)的影象，與地球上雷達獲得的最好影象相當。金星15號使用紅外傅立葉光譜儀分析並繪製了高層大氣圖。從1983年11月11日到1984年7月10日，兩顆衛星都用合成孔徑雷達繪製了該行星北部三分之一的區域。這些結果提供了對金星表面地質首次詳細的情況，包括髮現了異常巨大的盾狀火山，如冕狀物和蛛網膜地形。金星沒有板塊構造的證據，除非該行星北部三分之一恰巧是一塊單一板塊。金星號任務所獲得的測高資料解析度是“先驅者號”的四倍。麥哲倫號.1990年8月10日，以探險家斐迪南·麥哲倫命名的美國麥哲倫號探測器抵達環金星的軌道，並開始了頻率為2.38千兆赫的雷達測繪任務。之前的探測器已繪製了大陸大小地層的低解析度雷達地圖，而麥哲倫則用約100米的解析度繪製了98%的地表，所得地圖與其他行星的可見光照片相當，是目前現有最詳細的金星地圖。麥哲倫號探測器極大地提高了對金星地質的科學認識：探測器沒有發現板塊構造的跡象，但撞擊坑的稀少表明金星地表相對年輕，表面分佈有數千公里長的熔岩通道。在完成了為期四年的任務後，麥哲倫號按計劃於1994年10月11日被推入大氣層，部分蒸發，部分被認為撞擊在行星表面。金星快車.金星快車是歐空局從軌道上研究金星大氣層和表面特徵的任務。該設計基於歐空局的火星快車和羅塞塔號任務，主要目標是對金星大氣進行長期觀測，希望也將有助於對地球大氣層及氣候的瞭解。金星快車還繪製了金星全球表面溫度圖，並試圖觀察遠離地球之處的生命跡象。金星快車於2006年4月11日成功進入極地軌道，任務原計劃持續兩個金星年(約500個地球日)，但實際延長至2014年底，直止其推進劑耗盡。金星快車的首批成果包括過去海洋的證據，在南極發現了一個巨大的雙氣漩，以及在大氣中檢測到了羥基。破曉號.破曉號是2010年5月20日日本宇宙航空研究開發機構發射的一艘無人探測器，計劃於2010年12月進入金星軌道。但因軌道進入機動失敗，探測器留在了日心軌道。2015年12月7日，透過姿態控制推進器點火1233秒，它被調整到另一橢圓衛星軌道上。探測器將使用紫外線、紅外線、微波和無線電對地表進行成像，並尋找行星上閃電和火山活動的證據。執行任務的天文學家們報告說，2015年12月，在金星上發現了一個可能的重力波。近期的飛越.曾有數艘飛往其他目的地的太空探測器，利用飛越金星的重力彈弓效應來進行提速，其中包括到木星的伽利略號任務和到土星卡西尼-惠更斯號任務(兩次飛越)。很奇怪的是，在1998年和1999年飛越期間，卡西尼號使用無線電和等離子體波等儀器探測金星發出的射頻時，並沒接收到通常與閃電有關的高頻無線電波(0.125至16兆赫)。這與20年前蘇聯金星任務的發現相矛盾。據推測，如果金星真的存在閃電，那可能只是某種型別的低頻放電活動，因為頻率低於1兆赫的無線電訊號無法穿透電離層。愛荷華大學的“唐納德·古奈特”(Donald Gurnett)檢查了1990年伽利略號飛越金星時檢測到的無線電訊號，當時解釋為閃電跡象。然而，伽利略號探測器當時與金星的距離為卡西尼號飛過時的60多倍，這使得它的觀測結果重要性大大降低。直到2007年，科學雜誌《自然》發表了一系列論文，給出了金星快車的初步發現，有關金星大氣中是否有閃電的謎團才得以解開。它證實了金星上存在閃電，而且比在地球上更常見。信使號在前往水星途中曾兩次經過金星。第一次是在2006年10月24日，從距離金星3000公里的地方飛過，由於地球在太陽的另一邊，因此沒有記錄到資料。第二次飛越是於2007年7月6日，當時飛船從距金星雲頂僅325公里的地方掠過。未來的任務.2003年向俄羅斯聯邦宇天局提出的金星-D航天器，從那時起這一概念已日臻成熟。它將於2026年底或2031年發射，其主要目的是使用功能更強的雷達繪製金星表面地圖。此次任務還將包括一臺能在地表長時間工作的著陸器。截至2018年底，美國航天局正與俄羅斯就任務概念展開合作，但這一合作尚未正式確定。舒克拉雅1號(Shukrayaan-1)是印度空間研究組織正在開發的一款金星軌道飛行器，截至2018年，還處於專案論證階段，計劃於2023年啟動，但尚未申請資金。2020年9月14日首次報道在金星大氣中發現磷化氫氣體，作者懷疑這可能是由當地生命體所產生，並建議“最終，解決方案只能是重訪金星，進行現場測量或取回氣溶膠。2018年，為研究水星而發射的貝皮可倫坡號將於2020年10月15日和2021年8月10日兩次飛越金星。專案科學家“約翰內斯·本克霍夫”(Johannes Benkhoff)認為貝皮可倫坡號的水星輻射計和熱紅外光譜儀或許會檢測到磷化氫，但“我們不知道這些儀器是否足夠靈敏”。金星探索時間表.另請星探測任務列表按目標難度遞增順序列出：飛越、撞擊、環軌繞飛、著陸(軟著陸)、漫遊車、樣本取回。非官方宣佈的任務，名稱使用斜體字列出。提議中的任務.為克服地表的高壓和高溫，美國宇航局格倫研究中心(Glenn Research Center)傑弗裡·蘭迪斯所領導的團隊在2007年提出了一種太陽能飛行器概念，該飛行器將控制地面上一輛具備較強抗高溫高壓的探測車，而飛行器則將在溫度相對較低的金星高層大氣中攜帶任務所需的敏感電子裝置。2007年提出的另一個構思是為探測器配備由核動力源提供動力的”斯特林冷卻器“(Stirling cooler)，以確保電子元件包能保持在大約攝氏200°(華氏392°F)的工作溫度中。2020年，美國宇航局噴氣推進實驗室(JPL)發起了一項公開競賽，題為《探索地獄：避開發條式漫遊車上的障礙》，以設計一種可在金星表面工作的感測器。任務概念和提議的其他示例包括:影響.對金星大氣層的研究不僅對金星自身，而且對其他行星，尤其是地球的大氣層也會形成重要的認識，有助發現和理解上世紀70和80年代的地球臭氧消耗現象。1769年，詹姆斯·庫克和他的奮進號船員觀察金星凌日的航程，導致了歐洲人移民澳大利亞植物學灣。