金星凌日

金星凌日 金星凌日觀測史 蘇明俊 樹德科技大學休閒事業管理系 高雄市天文學會理事長 2004年6月8日下午13h11m48.8s起,金星通過太陽的面,看見一個小黑點在太陽表面上移動。現在還活著的人,在此之前應該不會有人見過「金星凌日」,因為上一次發生在1882年的12月6日。如果錯過了這一次的金星凌日,2012年6月6日發生在大清早6點,不但要早起,也因為高度太低而難以觀測。如果又錯過的話,就下輩子囉， 觀測金星 金星是最接近地球的行星,表面富含濃厚的大氣,反射度也佳,除了太陽和月球之外,她是夜空中是最明亮耀眼的星星,最亮時可達-4.4星等,因此,也是許多古文化膜拜的對象。我國稱它是「太白金星」,據說是玉皇大帝派遣來凡間託夢的使者,美洲的馬雅人還製訂了非常準確的金星曆,維納斯(Venus)在古羅馬代表美麗與愛情之神,古希臘人則稱她為阿佛羅黛緹(Aphrodite)。 1 金星凌日 金星是內行星,從地球望去,離開太陽的最大視角不會超過48?,因此金星通常在黃昏(我國民間又稱長庚星)或清晨(又稱啟明星)出現在西方或東方天空。從地球向金星觀測,可以看見金星的變象。當金星在太陽對面時(金星上合),可以看見小的圓盤面,但因靠近太陽而觀測困難。之後漸變成凸月狀,因金星逐漸接近地球而變大,但凸月面越來越小,金星越來越大,終成新月狀,而至眉月狀,直到金星介於太陽與地球之間時(金星下合),就看不見金星了。之後,由大的眉月形倒過來漸又變象至小圓盤狀了。 金星自轉的方面與地球相反,天王星及冥王星也相反,都是由東向西自轉。如果你能夠站在金星表面上,太陽是從西邊升起來,而從東邊落下的。另外,金星的自轉速率很慢,周期是243天,比它的公轉224.7天還要長,因此金星上面的一天,相當於地球上的117天。如果我們住在金星表面,一年來,太陽只會升落兩次。 金星表面的溫度其實高達485?,低熔點的金屬像鉛(約328?)、錫(約232?)、鋅(約420?)都會成為液態(看來地球上投擲鉛球比賽,在金星上將改為「潑鉛液」比賽囉，),大氣壓力是地球的92倍,雲是硫酸凝聚而成的雲,分佈在50公里到70公里的高空,因此也會下硫酸雨,但因為氣溫太高了,還未到達地面,硫酸就已經分解為水和二氧化硫。40公里以下的上空,空氣清新,熱浪迫人,但永遠濃雲密佈。傳說中的地獄可能就是金星表面吧， 金星因為自轉很慢,沒有造成輻射帶和磁場,又因為溫室效應使溫差範圍很小,基本上沒有明顯的晝夜及季節之分,也沒有地區的差別,因為都是覆蓋熔岩的廣闊平原,有幾百個大型的火山,以及十萬個小型火山分佈在金星表面,金星最高的山脈是馬克思 2 金星凌日 威爾山,高11270公尺。 金星凌日 刻卜勒(Johannes Kepler,1571-1630)於1571年十二月27日生於德國西南部Swabia的小鎮韋耳(Weil),1629年,他發現行星運動的三大定律,第一定律,太陽在行星橢圓軌道的一個焦點上,第二定律,行星的移動在不同的軌道位置,都掃過相同的面積,第三定律,行星平均半徑的三次方與其週期平方的比值,所有的行星都相等。他也同時發現二年後會有金星凌日與水星凌日,但很不幸地,他並沒有活著看見這兩次的凌日,他於1630年11月15日死於德國境內的雷根斯堡(Regensburg),得年59歲,原因是疲勞與飢餓臥倒在路旁,雪雨交加而慘死。並且1631年的金星凌日,歐洲也看不到。但是歐洲的天文學家卻觀測到水星凌日,證實刻卜勒的預測。 金星凌日每兩次為一組,相隔8年,但每一組卻相隔一百多年。因為金星的軌道與地球軌道夾3.395度角,發生金星凌日的地方一定是昇交點或是降交點(大約是黃經77?和257?),到達這裡的時候,日期大約是6月8日獲12月9日,下一次再發生金星凌日時,地球與金星都要繞完整數圈,才有可能再發生凌日的現象。而金星與地球的會合週期是584天,也就是說金星繞完2.6圈(恆星週期為224.7天),地球繞完1.6圈時(恆星週期365.2422天),兩者再度會合的意思。但是這樣的會合與上次的軌道交點相去甚遠,因為金星軌道的傾斜,不會發生凌日現象。到了八年之後,金星繞轉剛好13圈,地球繞轉剛好8圈,又回到上次軌道交點的地方,又發生了凌日現象。大的週期循環週期則是105.5 3 金星凌日 年及121.5年,也就是說8年、105.5年、8年、121.5年如此的循環。 表一 1500-2500年間的金星凌日 1518年5月26日 1874年12月9日 2247年6月11日 1526年5月23日 1882年12月6日 2255年6月9日 1631年12月7日 2004年6月8日 2360年12月13 1639年12月4日 2012年6月6日 日 1761年6月6日 2117年12月112368年12月10 1769年6月3日 日 日 2125年12月8日 2490年6月12日 2498年6月10日 金星凌日的觀測 今年(2004)五月份的金星,日落後高掛在西方天空,位置就在金牛座,最亮時達到-4.5等。它會逐漸的變低,從望遠鏡觀察也越來越小(越暗),越來越像新月,越來越接近太陽,六月八日的下午它將畫過太陽的表面發生「金星凌日」,當時的天象又稱「下合」,我們可以看見太陽的表面多了一個小圓形的黑點(黑點大小約太陽的1/32)。之後,它會掛在清晨日出前的東(偏北)方天空,光度又逐漸變亮,下旬可達-4.4等。 2004年6月8日的金星凌日,在美國東部,太陽升上來的時候,金星已經開始在凌日了,我們稱為「日出帶凌」。而美國西部就看不見這一次的凌日。歐洲、非洲和亞洲的大部分地區,都能夠全程看見金星凌日。台灣則可見大部分的過程,日落的時候凌日 4 金星凌日 還沒結束,稱為「日沒帶凌」。 表二 2004年6月8日金星凌日凌的要素 太陽 太陽每小時移動 金星 金星每小時移動 赤經 05h07m23.23s +10.34s 05h07m23.23s -6.55s +22?42’37”.1 赤緯 +22?53’23”.3 +12”.99 -43”.87 視差 8”.66 15”.73 視半徑 15’45”.37 28”.85 赤經合,力學時6月8日08h58m54.66s 表三 2004年6月8日金星凌日台灣預報 時間 日心方位角 太陽高度角 初虧(外切) 08d13h11m48.8s 116.3 71.9 食既(內切) 08d13h30m40.5s 119.4 67.6 最近日心 08d16h14m15.9s 166.01 30.9 生光(內切) 08d19h00m00.9s 212.7 -4.3 復圓(外切) 08d19h19m23.1s 215.8 -8.2 最近日心時金星與日心距離,627”.78 註,上面二表摘錄自2004天文年鑑(台北市立天文科學教育館出版) 金星凌日觀測史 1639年12月4日英國人Jeremiah Horrocks和William Crabtree利用一個小型的望遠鏡將太陽的影像投影到一張紙上進行觀測,是最早觀測金星凌日的兩個人。法國天文學家李根提(Legentil) 為了觀測1761年的金星凌日,提前一年坐船到印度去,但遇上 5 金星凌日 了英法戰爭錯過了觀測時間。於是,他決定留在印度等待八年後的金星凌日。可是到了1769年6月3日,當金星要進入太陽盤面時,風雨交加,等到雨過天晴後,金星凌日現象已經完畢。他實在受不了這種打擊,因為再也不可能看見金星凌日了(因為必須再等105.5年),鬱卒的結果病得很嚴重,痊癒後便收拾行李回法國。途中又經歷了兩次船難,兩年後才回到巴黎。到家之後,因為多年來與親人失去聯絡,大家以為他已經死在印度,所以繼承了他的財產,他變得不名一文。李根提實在是有夠倒楣,受到這麼大的挫折後,重新出發,再活了二十多年才去世。 庫克(Lieutenant James Cook)冒險於1769年駕駛帆船前往大溪地(Tahiti)的法屬玻里尼西亞(Polynesia)島觀測金星凌日,並與世界各地的天文學家聯合,對於觀測金星凌日的精確度有很大的貢獻。到了1874年12月,美國的海軍天文台派出八個探險小組,到全世界各地去觀測金星凌日,這八個小組在那年的春天還特別為這偉大的一刻在華盛頓做集訓。1874年,英國皇家海軍中尉Robert Hoggan在印度洋的Rodriguez島以4吋的折射式望遠鏡,並採用120倍及160倍(高倍率)觀察金星凌日,畫下來關鍵的第二及第三接觸(相當於食既與生光的內切),對於黑滴現象扭曲了金星的影像有很清楚的描繪,Samuel Hunter也在埃及的Suez地區用3吋的折射鏡觀察金星凌日,它採用126倍觀察,也將第三接觸的黑滴現象描繪得很詳細,Henry Alfred Lenehan則在澳洲的雪梨天文台以4.75吋的折射鏡觀察,他採用80倍,並將孔徑減到4吋,它將黑滴現象畫成毛毛的,在雪梨西方的藍山觀測的還有L.A. Vessey,他的裝備和Lenehan一樣,但他加了綠色的濾鏡,倍率則是96倍,他們都對黑滴現象有詳細的描述。 6 金星凌日 測量天文單位 十七世紀英國著名的天文學家哈雷(Edmond Halley,1656-1687)以及法國的狄力索(Joseph-Nicolas Delisle),從1677年的水星凌日得到靈感,提出一個利用金星凌日準確計算日地距離(也就是天文單位)的方法,應可得到很準確的結果。他認為在地球上兩個不同的地方同時測定金星穿過太陽表面所花費的時間,再利用作圖的方式求出距離,後來與真正的金星凌日的觀測值只相差一點點。可惜的是,哈雷並沒有觀測過金星凌日,在哈雷之後,金星凌日共出現四次,分別是1761年的6月6日、1769年的6月3日、1874年的12月9日和1882年的12月6日,還有這一次2004年的六月八日,哈雷出生之前的金星凌日是在1639年的12月4日。而羅蒙諾索夫在1761年觀測金星凌日時,發現「黑滴」的現象,推斷說,金星表面有大氣層。哈雷死後,其他人承擔他的任務,繼續觀測1761年和1769年的金星凌日。 天文單位的測量,最主要是依賴準確的計時,哈雷還寄望計時的準確度達到500分之1,因為要在地球上不同的地點測量金星的剪影進入及離開太陽邊緣的時間,難度自然很高。可惜,這樣的方法有實際上的困難,因為太陽光通過行星濃密的大氣層(金星邊緣)時會造成光暈的現象,還有各種光學上的影響,嚴重扭曲了金星的形狀,這樣的現象是「黑滴 (black drop)現象」。在金星與太陽邊緣相互接觸,或者是要離開的時候,會有好幾秒鐘,金星就像阿米巴一樣,膨脹得像水龍頭滴下來的水滴一般,使得測量的準確度大受影響。天文學家有了這一次的經驗,好好去思考他們得到的結果與方法,下一 7 金星凌日 次的金星凌日(1874年與1882年),他們的測量就準確無比了。 1761年6月6日與1769年6月3日的金星凌日,首度被準確地預測,天文學家們都忙著測量地球到太陽距離,也就是「天文單位(Astronomical Unit, AU)」。因為知道天文單位的準確長度,就可以藉由刻卜勒第三定律來獲得其他八大行星的距離,當時,科學家根本不知道九大行星離太陽的準確距離。 刻卜勒第三定律可以用一個式子來表示, 33 Re Rp --------- , ----------- 22Te Tp 上面的式子中,Re是地球離太陽的平均距離、Te是地球繞太陽公轉一週的週期,Rp是太陽系任何一顆行星的距離、Tp是行星的公轉週期。例如說地球距離太陽的距離為1AU(約149,597,870公里),公轉週期為一年(365.2422天),那現在觀測金星,知道它的公轉週期為0.6125年,我們就可以從上面的式子得到金星與太陽的距離(0.7233AU)。但是如果開始的天文單位不準確,算出來的行星軌道半徑(也就是離太陽的距離)當然也就不會準確了。 恩克(Johann Franz Encke , 1791-1865)是德國溪堡(seeberg)天文台的主任,他為了追求天文單位的準確值,徹底地分析18世紀金星凌日的觀測數據,並在1824年宣稱一 8 金星凌日 個天文單位等於153,340,000 ? 660,000公里,比現代的值(149,597,870公里)大了2.5%。他宣稱1874年和1882年的金星凌日,他要測量到世界最準確的時間,但首先他得克服黑滴現象所造成的誤差。 Encke發表他測量天文單位的數值之前,德國首曲一指的天文學家貝塞爾(Friedrich Wilhelm Bessel)提出有趣的結果,他說任何兩位觀察者去計時同一個事件,都不會完全一致,至少也會有十分之幾秒的誤差,他認為這是個人的心理及生理因素所造成的,像視覺的敏銳、反應時間、以及手眼的協調性都有關係。不同的人去做同樣的觀察時,都必須好好考慮這些因素。 為了解決1874年以前金星凌日,因為黑滴現象以及觀測者個人視覺因素所造成的誤差,天文學家以器材模擬金星凌日,例如法國伍爾夫(Charles Wolf)就在Luxembourg Garden的一個圖書館的窗戶上裝置一組燈泡和屏幕,而觀察者就在巴黎天文台附近用望遠鏡觀察黑影的移動,來練習計時,美國也有人在華盛頓的海軍天文台安裝金星凌日模擬器。 紀錄金星凌日的新工具,旋轉式照相機 1874年金星凌日前,照相技術發達了,照相似乎可以忠實地紀錄下來凌日的現象,不容易受到觀測者眼睛特性的影響,而且也更為方便了,照相可以在現象發生之後,慢慢用來做的測量與研究。 歷經1874年金星凌日的照相之後,照相就被認為是紀錄真實現象最好的方法,尤其 9 金星凌日 是短暫的接觸現象,也因此天文單位獲得更準確的數據。來自全球的國家(像法國、英國、美國、還有蘇俄及德國的一部份)都派遣天文學家攜帶相機來測量和照相。 許多業餘的天文學家增補這些探險的結果,並且有私人基金資助。英國的天文慈善家Lord James Ludovic Lindsay提供一艘三桅帆船,金星(Venus)號,以及天文觀測設備,讓David Gill領導一群天文學家前往模里西斯(Mauritius)進行金星凌日的觀測,後來,Gill成為位於南非好望角的皇室天文學家。 業餘天文學家通常都採用間接觀測的方法,也就是透過目鏡將太陽投影在白色屏幕上做觀測,這是快又有效的方法。1874年全孔徑的太陽濾鏡是一塊毛玻璃,很少人願意去燻染貴重的光學器材,更沒有人願意去燻染物鏡。因此,直接觀測都是用一片半透明的稜鏡,從光徑的中間截取掉大部分的光線和熱量,使到達目鏡的光線可以直接觀測,然而,使用有色的玻璃濾鏡,讓足夠的光和熱透過來做安全的觀測也是必要的。曾經有觀測者以深色的玻璃觀測太陽,結果爆裂開來,非常危險。 大部分照相者,都是紀錄金星剪影通過太陽表面的過程,隨後再慢慢測量。意謂著光線傳達這麼遠的距離沒有被彎曲或扭曲,有許多底片過度曝光,大部分都不能用,案也有少部分相片是成功的。 Janssen的旋轉式照相機 1874年紀錄金星凌日的過程中,最有創意的方法就是法國天文學家Pierre Jules Janssen所發明的,他年輕的時候因為車禍而殘廢,但拒絕平淡的生命,使生命多采多 10 金星凌日 姿,同事都叫他「確認短暫現象的高手」,尤其是日食,他也是最熱衷的日食追逐者之一。1868年8月18日在印度的Guntur,他就與英國的J. Norman Lockyer獨立發現一個研究日珥的方法,他透過分光徑的狹縫來觀察太陽的邊緣,1870年12月因為普魯士人的包圍而受困於巴黎,但他用熱汽球逃到阿爾及利亞的Oran去觀察日食,但卻是烏雲密佈。 凌日的短暫現象正是Janssen的專長,而凌日就像縮小的日食,他就設計一個精巧的儀器,旋轉式照相機,用來記錄金星在太陽表面的切點影像,時常被簡稱為「Janssen」,機械裝置是由兩個有溝槽的園盤所組成,大的有12個狹縫,較小固定的圓盤有一個狹縫,後者形成一個窗口,只讓一小部份的太陽影像進入到底片上,較大的圓盤在前面轉動,就好像Colt左輪手槍。 很快就拍到一系列的照片,Janssen希望這些照片中能夠有一張是恰好拍到金星邊緣與太陽邊緣接觸的一剎那,他的設備後來被公認是Louis-Jean和Auguste-Marie Lumiere發明的電影沖洗的先趨,當然他自己也在攝影棚拍攝第一部影片。 1874年失望的金星凌日 1874年12月9日的金星凌日,當然全世界都在看。Janssen與法國一個觀測小組前往日本長崎,雖然有好幾項設備被英國觀測隊伍借走,但他們仍是唯一用旋轉式相機拍攝金星凌日的法國團體。還有,由George Davidson領導的美國隊伍,他們觀測的地點,離後來1945年原子彈爆炸的地點不遠。在1877年發現火星的衛星的Asaph Hall, 11 金星凌日 則帶領一支美國隊伍前往蘇俄的Vladivostok觀測金星凌日。 1874年的金星凌日照相,因故卻無法比18世紀來得清楚,可能是因為光學品質更高的緣故吧,而靠視覺觀測的人仍舊是令人懊惱的結果。照相紀錄的結果和肉眼觀測的結果相比較,二者都一樣捉摸不定。因為Janssen的擴散又扭曲的影像並沒有比肉眼觀測的還好,難怪有人開始嘗試手動照相,而不祈求金星經過太陽表面的完美過程了。這些元兇應該就是地球大氣層的翻攪了。 1881年在巴黎召開的國際會議,討論1874年金星凌日得到的結果,並且為1882年來做準備。一般都承認旋轉式照相並沒有預期來得理想,格林威治天文台主任George Biddell Airy最後結論說,用旋轉式照相的方法來記錄金星凌日並不是最可靠的方法。讓大家對旋轉式照相的熱情大大消退。 在這樣的情況之下,實在很難寄望會得到天文單位精準的數值,此外,在1882年之前,旋轉照相的技術用來決定天文單位的長度,似乎不是最好的紀錄方法了。另外一個方法就是利用火星接近地球的時候,利用它對背景恆星的視差運動來測量距離,David Gill在受到金星凌日觀測的挫折之後,在1877年轉而前往南非的孤島Ascension去觀測火星的距離,結果與現代精確的數值相比,只有0.2%的誤差,比計算金星凌日好太多了。 結語 基於金星凌日的觀測在歷史上的地位,各國政府為了鼓勵天文學家繼續觀測金星凌日,以大量的資金資助1882年金星凌日的觀測,卻也因此,使1882年的金星凌日在歷 12 金星凌日 史上據有重要的地位。紐約時報痛批美國海軍天文台還花錢跑到遙遠的地點進行觀測,因為美國本土就看得到了啊， 事實上,1882年的觀測結果對科學來講並不是很重要,重點是如何及於大眾化,紐約時報又報導說,這是第一次讓沒有受過天文訓練的大眾都能夠觀測金星凌日,也是第一次以毛玻璃展現金星凌日的情景。一語道出大眾觀測的意義。 13 金星凌日