今年雙十一，除了血拼外最重要的事當屬「瞻仰」水星真容。明天（11月11日）美洲、歐洲和非洲大陸將迎來2019年最值得一看的天象——水星凌日，屆時你將親眼目睹水星的繞日運動，看到它橫穿太陽表面的奇景。
凌日作為一種非常罕見的天象，只發生於內行星上。本世紀我們已經沒有機會看到金星凌日了（下次金星凌日2117年），而水星凌日每個世紀也只發生13到14次，平均到每個城市，在100年中大概只上演5-6次。錯過這次，就只有等13年後的2032年了。今天我們來聊聊凌日是個什麼樣的天象？為什麼它那麼重要，以至於我們說它解決了著名的「天文學第一問題」、又使探索系外行星和其他宇宙文明成為可能？我們又該如何觀測和拍攝這個酷炫的天象呢？
01.
天象預告
本次水星凌日在西半球大多數地方都可以看見。下圖中：
白色區域代表可以完整目睹此次水星凌日的地區，如南美洲及北美東部。
淺色陰影地區（北美、歐洲以及非洲）則能在日出或日落時觀看到凌日現象。然而這並不件壞事，如《兩小兒辯日》所言，"日初出大如車蓋，及日中則如盤盂"。日出和日落時太陽視直徑看起來更大，亮度卻沒那麼強。在冉冉旭日和西沉斜陽中，這個天象將看起來更加壯觀。
亞洲和大洋洲大部分地區所在的深灰區域因是黑夜將遺憾錯過。
02.
凌日是什麼？
凌日的原理類似於日全食，當地球、恆星、行星三點連成一線時，從地球上會看見一個黑色小圓點穿過恆星圓面。
問題一：水星每88天繞日公轉一周，地球每365天繞日一周，為什麼水星凌日不是每年發生4次，而是每個世紀才發生13-14次？地球和水星的繞日公轉軌道並不在同一個平面上，而是有一個7度的傾角。這個傾角決定了二者只有兩個交點：升交點與降交點。因此，只有水星處於軌道上的這兩個交點附近，而日水地三者又恰好排成一條直線時，在地球上才可以觀察到水星在太陽表面經過。地球每年5月8日前後經過水星軌道的降交點，11月10日前後經過升交點。所以，水星凌日只發生在這兩個日期的前後。
問題二：為什麼只聽說過水星凌日和金星凌日，但卻從未聽說過火星凌日或者木星凌日？
對地球而言，太陽系內行星只有水星和金星兩顆，所以也只有當它們倆運行至太陽和地球中間時，才會出現遮擋現象。但因為水星和金星的距離及尺寸的緣故，它們並不能將太陽光完全遮擋住，因此不會出現日食，而是凌日。火星和木星等則屬於外行星，當外行星跟地球靠近或連成一線時，會發生衝日現象，它們的亮度將增大。
凌日現象是一個非常重要的天文現象，它在18世紀第一次幫助我們認識了宇宙的大小。現如今，它又是我們發現系外行星的最主要手段，使得探索其他宇宙文明成為可能。
而回答這個天文學第一問題的基礎，就是測算太陽到地球的距離(即1天文單位，用AU表示），然後我們可以藉助克卜勒第三定律和恆星周年視差等工具，推算出地球到其他天體的距離。
天文學家嘗試過很多測定日地距離的方法，比如三角測量法。利用兩個相距很遠的天文臺同時測量出太陽在天空中的位置，再根據天文臺之間的距離計算出日地距離。但這個方法知易行難，限制條件太多（當時的通訊條件及太陽視面積難以測量精準），所以從來沒成功過。
法國天文學家卡西尼在克卜勒發表第三定律的半個世紀後想出了另一個辦法。他說，我們可以以某顆遙遠的恆星為背景，分別在日出和日落時測量火星相對於這顆恆星的位移，得出火星的視差，再利用地球到火星的距離來推算出日地距離。1672年，卡西尼通過這個方法測得日地距離為1.6億千米（今測值為1.496億千米），在當時來看已經很準確了。
克卜勒三定律
然而幾年後，一個年輕的天文學家，哈雷，提出了一個絕妙的新思路，震動了整個天文學界。這個方法就是利用金星凌日測定日地距離，我們今天說的水星凌日同樣適用。他提出：金星凌日時，從地球上A和B兩地同時觀測。假設金星投影在太陽上的點V1和V2，分別循著A'1A'2和B'1B'2兩條平行線經過太陽。所以由觀測求得角AVB，通過幾何計算可推出角AV1B。如果AB弦=地球直徑，則角AV1B則是太陽視差，因此可得出日地距離。
Source：汪潔《天文學史話》
此後1761年的金星凌日可謂熱鬧非凡，全世界的天文學家都在摩拳擦掌，準備解決日地距離這個「最崇高的問題」。他們分別奔赴地球100多個角落，如西伯利亞，青藏高原，威斯康星洲的叢林。最終測算出的結果是1AU=1.33億千米，這讓我們終於初步了解了太陽系的空間尺度，根據這個數值，當時的人們意識到地球離土星竟有15億千米，馬要跑2527年才能到達，這一下子刷新了人們心中太陽系的大小。
艾德蒙·哈雷
而隨著19世紀貝塞爾等人成功測量了恆星的周年視差，人們又利用日地距離算出了地球到觀測恆星的距離，將宇宙的尺度擴大了幾十倍。至此哥白尼的日心說終於獲得了全面的勝利，西方各大學開始教授哥白尼和牛頓的哲學。更多信息可以看我們之前發的文章：天文科普 | 宇宙有多大 (深度薦文)
一直以來人類都在尋找太陽系以外的行星，探索這些行星是否跟地球一樣適合生命的生存。然而系外行星本身並不發光，我們很難通過望遠鏡直接看到它們，那要怎麼找呢？
目前主要找尋系外行星的方法有5種，最重要的就是我們今天說的凌日法。如下圖所示，當系外行星行進至其母星系恆星和地球中間時，它們會遮擋一部分這顆恆星發到地球上的光。因此恆星的light curve會發生變化。根據NASA的數據，目前探明的4044顆行星中，有3131顆行星是通過凌日法找到的，約佔已知系外行星總數的77%。
Source: NASA
除凌日法外，其他常見的系外行星（Exoplanet）找尋方法還有
今年諾貝爾物理學獎頒給Michel Mayor和Didier Queloz的主要原因，就是表彰他們在1995年時，用Radial Velocity（徑向速度法）首次發現了太陽系外的一個行星。徑向速度法演示（Source: NASA)
大家如果對這個話題感興趣的話，我們之後可以專門出一期文章，讓天文系和生物系的科研大佬們來聊聊系外行星和宇宙生物學的發展之路，以及TESS和Kepler衛星的搜尋研究現狀。
微重力透鏡法演示（Source: NASA)
水星，又叫辰星，是離太陽最近的行星，水地距離只有日地距離的1/3，因此我們非常難看到它的真容。它每87.968個地球日繞行太陽一周，每公轉2周同時也自轉3圈，有著太陽系行星中最大的軌道傾角。
作為太陽系最小的行星，它赤道半徑只有2439.7公裡，甚至比一些巨大的天然衛星，比如木衛三和土衛六還要小。水星表面平均溫度約452K，變化範圍從90-700K，是溫差最大的行星。
水星自轉軸的傾角幾乎為零（0.027°），因此在水星的兩極存在一些太陽永遠也無法射到的地方（如環形山底部），NASA目前在這些地方探知有1000多噸的冰。
水星凌日的觀測需要藉助望遠鏡。請注意，一定不要用肉眼直視太陽:
4）日珥鏡：這貨就是專門設計來看日珥的。和巴德膜不同，巴德膜看到的太陽，就是平時你看到的太陽，與黃昏時肉眼可見的太陽並無本質差別。但日珥鏡中，你將會看到一個燃燒的巨大火球，還有上面噴薄而出的日珥。非常吸引人。
5）在線觀看：所在地陰天了或者看不到？沒關係，NASA、Space.com以及國家地理雜誌都提供在線天文臺直播（直播地址在文末，或點擊閱讀原文）。
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04.
攝影指南
水星凌日的攝影有很多玩法，比如延時攝影，長焦攝影等等。
設備：相機，三腳架，望遠鏡/日珥鏡，巴德鏡
難點：把握好拍攝的時間間隔和後期堆棧時的光線調節
水星凌日的拍攝跟日全食很類似。篇幅關係，不再累述。之前，TC專門寫過一篇日全食攝影教程，手把手教學如何拍攝太陽。TC的作品曾獲加拿大天文大會攝影最高獎，感興趣的朋友可以直接點擊照片，去看他的教學貼。
天文攝影 | 日全食葫蘆串的拍攝方法
在線觀測推薦
主辦：Space.com
時間：11月11日7:00（東部時間）
連結：https://www.space.com/mercury-transit-2019-webcasts.html
主辦：NASA SDO
時間：11月11日7:00（東部時間）
連結：https://mercurytransit.gsfc.nasa.gov/2019/
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作者 | 10年+天文愛好者
加拿大皇家天文協會 & 多倫多大學天文協會會員，多年全球頂級Star Party U of T帶隊老司機
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