天文學家是如何利用金星凌日現象來首次測量日地距離的?

2020-12-03 天文在線

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1769年,當金星經過太陽時,天文學家計算出了地日距離。那麼,到底是如何計算出來的呢?

圖解:兩組接觸時刻的照片。左側質量較差的照片中可以看到黑滴現象。

1769年,克卜勒行星運動定律和牛頓萬有引力定律已經被提出並且證明有效。每顆行星的軌道周期已經被測量過,但是還沒有測量過其絕對距離。克卜勒第三定律(其實就是牛頓萬有引力定律的一種特殊形式)描述了每顆行星的軌道周期與其和太陽間相對距離之間的聯繫。

圖解:凌日法是檢測太陽系外行星的方法,圖的下面演示隨著時間的推移,抵達地球的光度是如何變化的。

例如,克卜勒第三定律告訴我們,如果金星的軌道周期是0.62年(地球年),那麼,它到太陽的平均距離為地日距離的72%。天文學家知道了每顆行星與太陽間的相對距離,但是他們不知道如何用這些距離與地球的長度單位(如英裡)或者地球的大小作比較。既然行星的軌道周期已經知道了,那麼知道其任何一個絕對距離就可以計算出所有其他行星的距離。所以,如果我們知道了地日距離,那麼我們也就知道了金星的軌道大小以及它的移動速度。因此,所有線索都與一個數字有關:地日距離。

其餘部分則由天文學家所說的視差決定。

想像一下,你和一個朋友站在街道一邊,但是相隔甚遠。朋友在你的右邊,並且你們兩個人都盯著街道對面的同一根路燈柱看。一輛汽車從你的左邊開過來,這輛車先穿過了你的視線,然後過了一會兒才穿過你朋友的視線,對嗎?因為你的朋友在從另外一個角度看路燈柱。

圖解:儘管有所謂的黑滴效應使金星凌日的測量非常困難,但這種罕見的現象,長久以來仍是測量天文單位的最佳方法。

如果你知道你和朋友之間的距離、汽車的速度以及汽車穿過你們視線的時間差,那麼可以根據幾何學計算出你們和路燈柱之間的距離。

以此類推,你和你的朋友在兩個不同的天文臺(地球上相隔很遠的地方)盯著太陽,等待金星凌日。你們各自看到金星凌日的時間將會略有不同,更重要的是,你們看到金星穿過太陽表面的路徑也會稍有不同,此時記錄下此次觀察凌日你們之間的略微差異。根據這些測量和一些三角學知識,可以計算出到太陽的絕對距離。1771年,法國天文學家傑羅姆·拉蘭德(Jerome Lalande)根據對1761和1769年金星凌日觀測結果的分析,計算出了一個天文單位的值,它只比現行(現代)的值高2%。

圖解:天文的距離單位秒差距是使用天文單位做基線,視差是角度1弧秒的距離。圖中的1AU和1pc為依照比例。

早在一個世紀以前,就有人使用相同的原理(視差)來觀測火星,並得出另一個相當精確的天文單位的計算結果。1672年,當火星靠近地球時,喬瓦尼·卡西尼(Giovanni Cassini,在巴黎)和讓·裡奇(Jean Richer,在法屬蓋亞那)同時進行了觀測,比較了火星相對於背景星星出現的位置,得出了一個天文單位的值,大概比現代的值高7%。

相關知識延伸閱讀

金星凌日是指太陽和地球之間的行星金星像暗斑一樣掠過太陽盤面,並且遮蔽一小部分太陽對地輻射的天文現象。這類天文現象可能會持續數小時。金星凌日的原理與月球造成的日食一樣。雖然金星的直徑幾乎是月球的3.5倍,但由於它離地球更遠,因此它遮蔽的太陽面積就非常小。科學家可以通過觀察金星凌日估算太陽和地球之間的距離。在火星、木星、土星、天王星及海王星等地外行星同樣可以觀察到凌日這一天文現象。

天文單位是天文學上的長度單位,曾以地球與太陽的平均距離定義。2012年8月,在中國北京舉行的國際天文學大會(IAU)第28屆全體會議上,天文學家以無記名投票的方式,把天文單位固定為149,597,870,700米。新的天文單位以米來定義,而米的定義來源於真空中的光速,也就是說,天文單位現在不再與地球與太陽的實際距離掛鈎,而且也不再受時間變化的影響(雖然天文單位最初的來源就是日地平均距離)。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. 胖女巫啦啦啦嗚-David Bernat

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