难得的工具:观测金星凌日的科学价值

网易科技报道 http://tech.163.com
2004-06-07 15:14:21 来源: 文汇报


金星凌日是一种难得的天象，也是天文学家认识宇宙的重要工具。借助于金星凌日，天文学家曾第一次较为精确地测量了日地距离；而如今，天文学家在这种想象的启发下，正在寻找其他恒星周围的大行星。

从地球到太阳



公元前3世纪，古希腊天文学家、数学家和地理学家埃拉托色尼第一次测量了地球的半径。虽然我们不知道他所使用的距离单位与我们今天所使用的单位之间如何换算，但从理论上讲，知道了地球半径之后，如果再知道太阳视差，我们就能够轻易计算出地球到太阳的距离。

地球到太阳的距离在天文学上被称为“天文单位”，它是天文学中的基本单位之一。太阳视差是一个角度：地球半径对于太阳中心的张角。然而，确定太阳视差并非一件轻而易举的事。在埃拉托色尼的时代，另一位科学家曾提出了一种在弦月时太阳-月球-地球成直角，测出月球和太阳的角距离，进而得到太阳视差的测量方法。然而这个方法误差很大。

对日地距离的测量还等待着金星来获得突破。到了17世纪，开普勒在日心说的基础上预言，1631年将发生一次水星凌日和一次金星凌日，那次凌日在欧洲是看不到的，也没有人目击那次金星凌日，开普勒卒于凌日发生的前一年。天文学家第一次目击金星凌日是在8年之后的1639年。直到1677年，哈雷在观测水星凌日后终于意识到，人们可以借助金星凌日来测量日地距离。

哈雷的预言

“因此我们一再托付那些充满好奇心的星空探索者，当我们的生命结束了，观测便委托给了他们。”哈雷在1716年给英国皇家学会的论文中说道：“他们是那些留心我们的建议，精神饱满地投身于这些观测事业的人。”

1677年，21岁的哈雷对将要发生在1761年的金星凌日作了预报，他明白，自己是无法亲自看到那年的金星凌日了。但哈雷相信，只要通过观测金星凌日得到了金星的视直径，并且知道金星的公转周期，则太阳视差可以很容易地由开普勒第三定律推算出来。太阳系中只有两颗行星为我们提供了做这种计算的机会，另一颗是水星，但由于它离太阳比金星近，而且体积又小，相比之下远没有金星易于观测。

1761年，天文学家按照哈雷给出的预测纷纷前往合适的观测点观测金星凌日。他们从大约70个观测点得到的数据印证了哈雷生前的预言，并在人类历史上第一次较为准确地计算出了天文单位的长度。但是这个结果仍然远没有哈雷预计的那样乐观，因为各个观测点的天气不一定合作，并且天文学家无法以足够的精度确定观测地点的经度。另外，哈雷在他的计算中也犯了点错误，并不是他预言的所有地点都能够看到那次金星凌日。

“黑滴”疑云

更为糟糕的是，天文学家们在观测金星凌日时遇到了一种被称为“黑滴效应”的现象，它使得确定金星与日面内切的时刻变成一件非常困难的事情，而根据哈雷提供的方案，计时的精度会直接影响观测结果。

黑滴效应表现为，金星运行至与日面内切附近时出现的一种金星边缘与太阳边缘被油滴状黑影“粘连”在一起的现象。这种现象使得观测者难以把握金星完全进入日面的时刻。黑滴效应因此声名狼藉，有人把它称为导致历史上首次大型国际科学项目失败的罪魁祸首。实际上只有当黑滴与太阳边缘完全断裂时，才是真正的凌始内切。

黑滴效应的产生原因是一个谜团，即使到今天也存在一些具有争议的解释。有人认为这种效应来源于光的衍射，有的认为它仅仅是错觉，还有人认为它与金星的大气层有关。但目前的学者们更倾向于认为，黑滴效应并非由以上这些原因引起，它实际上由地球大气中的一种与视宁度有关的涂污效应引起。另外，黑滴效应也受到观测时望远镜质量的一些影响，这就是19世纪的观测比18世纪更为容易一些的原因。

天文学家们最终根据1761年观测结果计算出的日地距离相互之间存在明显的出入，数字最小的结论与最大者之间的差距超过了2800万千米。现代天文观测结果告诉我们，日地距离大约为1.5亿千米。

前沿的工具

金星凌日与天文单位之间一波三折的故事已经成为往事。今天金星凌日本身的科学意义已经很小。不过，这种现象为天文学家寻找其他的“太阳系”提供了一种重要的方法。

太阳系外的行星遥远而且深藏在其恒星的光芒之中，想“看”到它们绝非易事。举例来说，木星是太阳系最大的行星，距太阳约5个天文单位，它庞大的身躯抵得上1316个地球。然而，如果有外星人在距我们最近的恒星——半人马α星——观察太阳系，木星距太阳则只有4角秒距离，亮度仅为太阳的十亿分之一。假设外星人拥有的观测设备与目前人类最好的设备相仿，那么在他们看来，木星是完全淹没在太阳的光辉中而不可见的。事实上，绝大多数恒星都要比半人马α星远得多。所以，从地球上看其他恒星的行星也是非常困难的。

于是，天文学家为了让外星行星“现身”，发展出了一些间接的探测方法。我们知道恒星在与它的行星一起围绕二者的质心运动。从远处观察起来，恒星并不是纹丝不动的，它围绕质心运转的过程在观察者看来是在周期性地“摆动”。假如能够对这种“摆动”进行探测，则天文学家就能确定行星的存在了。

探测恒星的“摆动”，一种方法是多普勒法：恒星向远离地球的方向“摆动”时，其光谱会向红端移动(红移)；恒星向接近地球的方向“摆动”，其光谱会向蓝端移动(蓝移)；在行星存在的作用下，这种光谱的变化是很有规律的，天文学家可以通过探测这种多普勒效应来发现外星行星。另一种方法，是直接测量恒星在更遥远的恒星背景上的“摆动”。当然，这需要探测仪器有相当的精度。

自1992年发现第一颗至今，天文学家已经发现了超过120颗太阳系外行星。然而运用上面这些方法时有一个明显的缺陷，即它们无法测得行星的轨道倾角，也就无法得知它们的确切质量。所有已知的太阳系外行星中只有一个例外。

“凌星”带来的例外

这个惟一的例外者就是编号为HD209548的行星。它的质量是木星质量的0.67倍，每3.5天围绕它的恒星运行一周。当它运行至恒星朝向地球的一面时，就发生了与金星凌日相似的现象，这种现象称为“凌星”。

HD209548凌星时，恒星的光芒因被遮挡而减弱1.7%.这么大程度上的亮度变化不但可以被专业的天文仪器探测到，就连业余爱好者也可以观察得出来。通过观察HD209548凌星，天文学家确定了它的轨道倾角，进而确定了它的质量。由观察凌星搜寻外星行星的方法被叫做“凌星法”。

我们可以看出，有了凌星法，业余爱好者也可以进行搜寻太阳系外行星的活动了，虽然目前还没有成功的先例。值得一提的是，人类第一架专为寻找外星行星而设计的太空探测器——美国宇航局的“开普勒”号——预计将于2007发射升空。“开普勒”号将围绕太阳运行，在4年的时间里探测10万颗恒星，寻找其行星存在的迹象。“开普勒”号的工作原理就是“凌星法”。

金星凌日曾帮助天文学家认识我们的太阳系，而今它又在帮助人们寻找我们银河系中其他生命的家园。