天文太空

金星凌日

罕見天象,重現六月天!

撰文/狄克(Steven J. Dick)
翻譯/傅宗玫

天文太空

金星凌日

罕見天象,重現六月天!

撰文/狄克(Steven J. Dick)
翻譯/傅宗玫

2004年的6月8日將一如往常地破曉,但全世界會有很多人有幸目睹一樁極為罕見的天文景象。地點得宜的觀察者,如果用適當的濾光鏡保護他們的眼睛及雙筒或單筒望遠鏡,將能看到金星的輪廓襯在太陽表面,形成一個黑點橫越烈焰盤面的景象,歷時長達六小時。整個金星凌日過程在亞洲、非洲與歐洲的大部份地區都可看到;澳洲的人們只能在日落之前,看到凌日的開始階段;等到太陽在美國和南美洲的東海岸升起時,金星已經完成凌日過程的四分之三了。美國西岸和南美洲西南部的人們,很不幸地將完全錯過這場盛事(見第42頁插圖)。


金星凌日並不像日食那麼壯觀,日食是由月球通過地球和太陽中間造成的。雖然金星有月球的3.5倍大,卻離地球遠得多,因此和太陽比起來只是個小點,約只有太陽直徑的3%。那麼,為什麼科學家、教育人士和業餘天文學家對即將發生的凌日這麼興奮呢?原因之一是這是個罕見的現象:到目前為止,天文學家僅觀測過五次金星凌日,上次發生是1882年12月6日。如果觀察者錯過了2004年的凌日,2012年還有一次機會;但那之後就得交棒給他們的子孫,等到2117年再觀察了。


金星凌日的吸引力,另一部份來自於17~19世紀試圖觀察它而留下的多采多姿歷史。這段事蹟具備科學探險故事的所有要素:國際競爭、神秘的觀測效應,而其爭議性的結果,又會影響天文學史上最重要的問題之一。除此之外,金星凌日也令目前的研究人員備感興趣,因為這個現象可能有助於現代天文學一個熱門問題的研究:偵測太陽系外的行星。


從克卜勒到庫克船長


任何行星凌日的發生都是簡單的幾何問題:該行星必須從觀察者和太陽之間通過。從地球我們可以看到水星和金星凌日;由火星上,還可以看到地球凌日。(科幻作家克拉克著名的短篇小說〈地球凌日〉,靈感便來自知道在火星上的觀察者,1984年5月11日時可以看到地球由太陽面上橫過。)這樣的事件相對來說不常發生,因為各行星的軌道和黃道(由地球上看太陽在天空中的路徑)並不是在同一個平面。例如金星軌道和地球軌道有3.4度的夾角,因此即使金星和太陽在同一個方位(天文學家稱之為「合」),大部份時候金星都遠在黃道的上方或下方,而不是橫過太陽表面(見右頁〈金星凌日的幾何學〉)。同樣地,月球繞行地球也不是每個月都造成日食;它通常會由黃道的上方或下方通過。





「黑滴效應」是英國探險家庫克船長在1769年金星凌日時觀察到的現象。上圖是根據庫克的觀測所繪製,顯示金星的邊緣連附著太陽的邊緣,使得測定接觸的確切時間變得不可能。庫克猜測這個效應起因於金星的大氣。




金星凌日只有當地球和金星在兩者軌道交叉處附近發生「合」的時候才會產生,所以凌日事件通常每243年只有四次。凌日事件之間的間隔是可預測的:通常一次凌日後8年會有第二次;過105.5年後發生下一次,8年後再有一次;再過121.5年後重新循環。為什麼成雙的凌日通常會間隔8年才發生呢?因為金星繞太陽一周需要224.7天,13個金星年幾乎正好等於8個地球年。一對凌日事件中的第一次發生後8年,金星和地球的軌道之舞又回到幾乎相同的位置,所以它們仍然會大致和太陽對齊。太陽的角直徑(即它在天空中看起來的大小)大約是0.5度,所以能容許些微的誤差;如果第一次凌日時金星由太陽盤面某一側靠近邊緣處橫過,下一次就會由另一側橫過。但是有時候,一對凌日事件中只發生一次凌日,那是因為另一次稍有偏差。14世紀就只發生了一次金星凌日,而3089年12月18日也將是如此。


因為金星凌日很難用肉眼看見,在人類歷史上大部份的時期,人們都不知道有這樣的事情。第一個預測行星凌日的人,是17世紀德國天文學家克卜勒(Johannes Kepler),他編寫的魯道夫星表是當時最為準確的行星運動指南。他指出,水星會在1631年11月7日橫過太陽,接著是金星在同一年的12月6日凌日。克卜勒沒有活著見到他的預言是否正確;他死於1630年。那次水星凌日至少被三個人觀察到,其中最有名的是法國自然哲學家賈山迪(Pierre Gassendi),他留下了詳細的記錄。賈山迪估計水星的視直徑大約是20角秒(約是1度的1/180),這本身就是一大科學進展。不過,那次金星凌日在歐洲無法看見,雖然克卜勒已向全世界發出了消息,但目前未知有任何人觀察到它。