一代人的欣喜：本世纪最后一次金星凌日

zhixun

by:果壳网 Drink-Me 2012-06-04 11:50:55
公元2012年6月6日的晨曦穿过窗棂的时候，细心的你也许会发现，初生的朝阳之上出现了一个细小的黑色暗斑。它不是云彩，也不是太阳黑子——你很幸运，因为这是天体运行的奇观，是值得敬畏的自然之力，是维纳斯的衣袖不经意间遮住了阿波罗的一丝光辉。

“金星凌日（transit of Venus）”看上去是一个高深的词汇，但它的原理其实很简单：当金星运行到了地球和太阳之间，金星凌日就发生了。就像是一次微型的日环食，一个黑色的圆斑慢慢从太阳表面掠过，整个凌日的时间会持续六个小时左右。而且就像日环食一样，金星凌日的全过程也可以分为凌始外切、凌始内切、凌甚、凌终内切和凌终外切等诸多步骤。

2012年与2004年金星凌日示意图，图上标明的I~IV分别为凌始外切、凌始内切、凌终内切与凌终外切。图片来源：NASA
由于金星与地球所在的公转轨道并不在一个平面上，而是存在3.4°的夹角，所以金星发生凌日的机会并不多。大部分时候，金星只会远远地从太阳身边绕过，距离太阳的最远角距离可达太阳视直径的18倍。公元前2000年到公元2004年这段长达4004年的时间里，总共只发生了53次金星凌日——在天文学时间尺度中，人类的历史总是显得那么短暂。

地球轨道与金星轨道的示意图，只有地球与金星同时运行到轨道交界线所在的位置且处于太阳同侧时，才会发生金星凌日。图片来源：Wiki Commons
243年的轮回

虽然罕见，但是准确预测这一天文现象并不困难。金星凌日以243年的周期重复如下相同的模式：经过121.5年漫长的岁月，会出现一对间隔8年的凌日事件，而再过105.5年之后，会出现另一对间隔8年的凌日事件，如此重复。但是这121.5年和105.5年只代表了最近几千年的情况，随着时间的推移是会改变的，只有243年的周期却是始终恒定。

金星凌日的周期重复模式。
为什么以243年为周期呢？这涉及到天体力学方面的问题。如果两个天体的运行轨道的公转周期构成整数比，他们之间就会受到彼此周期性的引力影响，使得二者的轨道在互相的引力扰动下，保持稳定。而地球与金星之间，就存在着接近243:395的轨道共振。地球上的243个恒星年（每年365.25636天）是88757.3天，而金星上的395个恒星年（每年224.701天）是88756.9天，二者十分接近——这意味着每经过243年，地球和金星就几乎运行到了各自轨道上的相同位置。
数世纪的探索

人类对金星凌日的观测最早可能可以追溯到古巴比伦时期。在古巴比伦文化活跃的时期发生过四次金星凌日事件，而他们或许至少发现了其中一次，并用楔形文字记录在了泥板上。大约2500年后，阿拉伯科学家很有可能观测到了发生于公元910年的金星凌日。而世界另一端，同样热爱天文学的阿兹特克人也观察到了这一现象：据信，特诺奇提特兰皇帝蒙特苏马二世（Moctezuma II）亲眼看到了公元1518年的金星凌日。

据信记录了金星凌日现象的新亚述时期阿米撒杜卡契形文字泥板，以及亲眼观测了金星凌日的蒙特苏马二世。图片来源：Wiki Commons
人类科学史上第一次成功预测金星凌日现象的是英国天文学家杰雷米亚霍雷克斯（Jeremiah Horrocks），他总结开普勒（Johannes Kepler）的失败教训，并正确地预测了1639年12月14日的金星凌日。对于这次金星凌日的观测，人们第一次粗略地计算出了地球与太阳的距离（即1个天文单位的长度），虽然那个数值与真实值相差甚远。

根据金星凌日观测结果计算天文单位长度的原理图。图片来源：Wiki Commons
一百多年之后，被更先进的科学知识武装了的天文学家、探险家们为观测金星凌日开始了远征——为了挑战地天文单位精确值这一难关。直到1883年，西蒙纽科姆（Simon Newcomb）总结了4次金星凌日的观测记录，得出14959万千米这一结果，而这个数值即使放在今天也是一个相当精确的数值。

记录库克船长在塔希提对金星凌日进行观测的纪念邮票
时至今日，我们已经可以不依赖金星凌日得到更精确的天文单位距离，但是金星凌日的科学探索使命却远没有终结。目前人类探索太阳系外行星的一个重要方法是凌日法：当行星经过其母星与地球之间时，地球上就可以观测到母星光度的轻微下降，而对金星凌日的观测则是验证该方法的绝佳手段。
简明观测指南

今年的金星凌日是一对金星凌日的第二期，如果不幸错过了这次观测机会，下次想要再观测这一天文学奇观只能再等到105.5年之后的2117年。相信对于绝大部分人来说这是人生中的最后一次观测金星凌日的机会了，所以一定要珍惜。

2004年在德国斯图加特拍摄的金星凌日。图片来源：Stefan Seip
这次金星凌日开始于北京时间2012年6月6日早晨6:09左右，凌甚时间为9:29，结束于12:49左右，在整个上午的时间里，只要太阳不是一直被太厚的云遮挡住，都可以观察到这次精彩的天文现象。
虽然金星凌日完全可以用肉眼观测，但是直视太阳要冒着视网膜被灼伤、甚至双目失明的风险，因此安全设施，例如巴德膜是必不可少的。巴德膜是一种太阳滤镜，可以过滤掉强光而不影响观测物体的反差，而且价格也不贵，是观测太阳的必需装备。巴德膜有两种不同的密度：3.8和5。其中密度3.8的巴德膜阳光透过率为万分之三，是专供太阳摄影用的滤镜；而只有密度为5，阳光透过率为十万分之一的巴德膜，才是用以目视观测的。选购时一定要加以注意。
准备好巴德膜之后，具体的观测，则有如下几套方案可供选择：
方案一：肉眼+巴德膜
如果视力够好，本方案不失是一个经济便捷的选择。只要在6日上午观察太阳，就能发现在它面前经过的金星。需要特别强调的是，千万不要用太阳镜或胶片之类的东西代替巴德膜，这些替代措施很可能会让太阳灼伤你的眼底。
方案二：天文望远镜+巴德膜
想要看到更多细节，天文望远镜无疑是最佳的选择，但是使用天文望远镜也就意味着更多的阳光会进入到眼睛里，所以更加需要注意防护。虽然很多天文望远镜也配有观测太阳的滤光镜，考虑到这些滤镜的质量良莠不齐，不排除有破裂的可能性，所以还是花点钱买块巴德膜，罩在物镜上，才是安全的选择。
方案三：天文台的网上直播
如果实在是风云突变，天气不允许，不得不取消目视观测，或者想看到比现有装备更多的细节，不妨去NASA的 金星凌日专题页面及直播频道 看看，届时，位于夏威夷的天文台会全程直播观测过程。同时大家可以在 这里 获取太阳动力学天文台（SDO）的最新影像数据。
当然，即便是既没能亲眼观测到这一天文学现象，也错过了网络直播，你也远不是最悲惨的一个。为了观测1761年的金星凌日，法国天文学家纪晓姆·勒让蒂尔（Guillaume Le Gentil）只身前往印度，然而时逢英法战乱，勒让蒂尔被怀疑是间谍，身陷囹圄，很长时间后才被释放。获释后，他不屈不挠，克服艰苦的条件，在印度建立起天文台，却在凌日当天遇到阴云密布的天气，观测以失败告终。命运一直在捉弄勒让蒂尔，患上了抑郁症的他在返程途中又遭遇暴风，险些丧命，回到法国却发现自己已被宣布死亡，丢掉了所有的财产，以及自己的妻子。
关于金星凌日的历史，有数不尽悲壮或者幸运的故事，想知道更多不妨读一读 这篇帖子 。
千百年来，人类对金星凌日的探索热情从来未曾消减。也许有人充满了疑问：像任何其他的天文观测一样，这种无利可图的科学探索，到底有什么用呢？或许，托勒密（Claudius Ptolemy）在公元150年的一句话可以回答这一问题：“像我一样的凡人，短暂的一生不过一瞬，但我每当看到繁密的银河下群星扫过的优雅轨迹，我心中便充满了宁静的喜悦，就好像我和它们融为了一体。”
这是本世纪最后的一次金星凌日，是属于我们这代人的欣喜。