行星凌日

水星或金星從地球與太陽之間經過時，人們將看到一個小黑點從日面移過，這就是水星（金星）凌日。

其實水星（金星）凌日，就像日月食，也是一種交食現象，只是由於水星、金星的視圓面遠遠小於太陽的視圓面，才使得它表現為在日面上僅出現一個緩慢移動的小黑點。我們知道，水星、金星有凌日現象，但是火星、木星、土星、天王星和海王星則都沒有凌日。這是因為水星和金星都是在地球的公轉軌道內側環繞太陽公轉（這樣的行星叫內行星），它們有機會從太陽和地球之間通過，這是產生行星凌日的必須條件。而火、木、土、天王和海王各大行星都是在地球公轉軌道的外側軌道環繞太陽公轉（這樣的行星叫外行星），它們不可能從太陽和地球之間通過。

認識宇宙的重要工具

凌日是一種難得的天象，也是天文學家認識宇宙的重要工具。藉助於水星凌日，天文學家曾第一次較為精確地測量了日地距離。如今，天文學家正在用類似的方法尋找其他恆星周圍的大行星。

太陽視差

公元前3世紀，古希臘天文學家、數學家和地理學家埃拉托塞尼第一次測量了地球的半徑。雖然我們不知道他所使用的距離單位與我們今天所使用的單位之間如何換算，但從理論上講，知道了地球半徑之後，如果再知道太陽視差，我們就能夠很容易地計算出地球到太陽的距離。

地球到太陽的距離在天文學上被稱為“天文單位”，它是天文學中的基本長度單位之一，太陽視差是一個角度，即地球半徑對於太陽中心的張角。然而，確定太陽視差並非一件輕而易舉的事。在埃拉托塞尼時代，另一位科學家曾提出了一種在弦月時（太陽、月球、地球成直角）測出月球和太陽的角距離，進而得到太陽視差的測量方法，然而這個方法誤差很大。

金星測太陽視差

開普勒和哈雷

對日地距離的測量還等待著金星來獲得突破。到了17世紀，開普勒在日心說的基礎上預言，1631年將發生一次水星凌日和一次金星凌日，那次凌日在歐洲是看不到的。開普勒卒於凌日發生的前一年。天文學家第一次目擊金星凌日是在8年之後的1639年。直到1677年，哈雷在觀測水星凌日後終於意識到，人們可以藉助金星凌日來測量日地距離。那一年，21歲的哈雷對將要發生在1761年的金星凌日作了預報。他明白，自己是無法親眼看到那年的金星凌日了。但哈雷相信，只要通過觀測金星凌日得到了金星的視直徑，並且知道金星的公轉周期，則太陽視差可以容易地由開普勒第三定律推算出來。太陽系中只有兩顆行星為我們提供了做這種計算的機會，另一顆是水星，但由於它離太陽比金星近，而且體積又小，相比之下遠沒有金星易於觀測。“因此我們一再託付那些充滿好奇心的星空探索者，當我們的生命結束了，觀測便委託給了他們。”哈雷在1716年給英國皇家學會的論文中說道：“他們是那些留心我們的間隙，精神飽滿地投身於這些觀測事業的人。”

1761年，天文學家按照哈雷給出的預測紛紛前往合適的觀測點觀測金星凌日。他們從大約70個觀測點得到的數據印證了哈雷生前的預言，並在人類歷史上第一次較為準確地計算出了天文單位的長度。但是這個結果仍然遠沒有哈雷預計的那樣樂觀，因為各個觀測點的天氣不一定合作，並且天文學家也無法以足夠的精度確定觀測地點的經度。另外，哈雷在他的計算中也犯了點錯誤，並不是他預言的所有地點都能夠看到那次金星凌日。

黑滴效應

更為糟糕的是，天文學家們在觀測金星凌日時遇到了一種被稱為“黑滴效應”的現象，它使得確定金星與日面內切的時刻變成一件非常困難的事情，而根據哈雷提供的方案，計時的精度會直接影響觀測結果。黑滴效應表現為金星運行至與日面內切附近時出現的一種金星邊緣與太陽邊緣被油滴狀黑影“粘連”在一起的現象。這種現象使得觀測者難以把握金星完全進入日面的時刻。黑滴效應因此聲名狼藉，有人把它稱為導致歷史上首次大型國際科學項目失敗的罪魁禍首。實際上只有當黑滴與太陽邊緣完全斷裂時，才是真正的凌始內切。

黑滴效應的產生原因是一個謎團，即使到今天也存在一些具有爭議的解釋。有人認為這種效應來源於光的衍射，有的認為它僅僅是錯覺，還有人認為它與金星的大氣層有關。但目前的學者們更傾向於認為，黑滴效應並非由以上這些原因引起，它實際上由地球大氣中的一種與視寧度有關的塗污效應引起。另外，黑滴效應也受到觀測時望遠鏡質量的一些影響，這就是19世紀的觀測比18世紀更為容易一些的原因。

天文學家們最終根據1761年觀測結果計算出的日地距離相互之間存在明顯的出入，最小和最大的結果之間的差距超過了2800萬km。現代天文觀測結果告訴我們，日地距離大約為1.5億km。

尋找其他太陽系的方法

金星凌日與天文單位之間一波三折的故事已經成為往事。今天金星凌日本身的科學意義已經很小。不過，這種現象為天文學家尋找其他“太陽系”提供了一種重要的方法。

太陽系外的行星遙遠而且深藏在其恆星的光芒之中，想“看”到它們絕非易事。舉例來說，木星是太陽系最大的行星，距太陽約5個天文單位，它龐大的身軀抵得上1316個地球，然而，如果有外星人在距我們最近的恆星半人馬α星上觀察太陽系，木星距太陽則只有4″距離，亮度僅為太陽的十億分之一。假設外星人擁有的觀測設備與目前人類最好的設備相仿，那麼在他們看來，木星是完全淹沒在太陽的光輝中而不可見得。事實上，絕大多數恆星都要比半人馬α星遠得多。所以，從地球上看其他恆星的行星也是非常困難的。於是，天文學家為了讓外星行星“現身”，發展出了一些間接地探測方法。我們知道恆星在與它的行星一起圍繞二者的質心運動。從遠處觀察起來，恆星並不是紋絲不動的，它圍繞質心運轉的過程在觀察者看來是在周期性地“擺動”。假如能夠對這種“擺動”進行探測，則天文學家就能確定行星的存在了。

多普勒法

探測恆星擺動的方法之一是多普勒法。恆星向遠離地球的方向擺動時，其光譜會向紅端移動（紅移）；恆星向接近地球的方向擺動，其光譜會向藍端移動（藍移）。在行星存在的作用下，這種光譜的變化是很有規律的。天文學家可以通過探測這種多普勒效應來發現外星行星。另一種方法是直接測量恆星在更遙遠的恆星背景上擺動。當然，這需要探測儀器有相當的精度。

自1992年發現第一顆外行星至今，天文學家已經發現了超過120顆太陽系外行星。然而運用上面這些方法時有一個明顯的缺陷，即它們無法測得行星的軌道傾角，也就是無法得知它們的確切質量。所有已知的太陽系外行星中只有一個例外。這個惟一的例外者就是編號為HD209548的行星。它的質量是木星質量的0.67倍，每3.5天圍繞它的恆星運行一周。當它運行至恆星朝向地球的一面時，就發生了與金星凌日相似的現象，這種現象稱為“凌星”。HD209548凌星時，恆星的光芒因被遮擋而減弱1.7%。這麼大程度上的亮度變化不但可以被專業的天文儀器探測到，就連業餘愛好者也可以觀察得出來。通過觀察HD209548凌星，天文學家確定了它的軌道傾角，進而確定了它的質量。由觀察凌星搜尋外行星的方法叫做“凌星法”。

凌星法

我們可以看出，有了凌星法，業餘愛好者也可以進行搜尋太陽系外行星的活動了，雖然目前還沒有成功的先例。值得一提的是，人類第一架專為尋找外星行星而設計的太空探測器—美國宇航局的“開普勒”號2007年發射升空。“開普勒”號將圍繞太陽運行，在4年的時間裡探測10萬顆恆星，尋找其行星存在的跡象。“開普勒”號的工作原理就是凌星法。

公元902年至3097年金星凌日一覽表(北京時間)

902年11月26日金星從日面北緣掠過

910年11月24日

1032年5月24日至25日

1040年5月22日

1145年11月26日金星從日面北緣掠過

1153年11月24日

1275年5月26日

1283年5月23日

1388年11月26日金星從日面北緣掠過

1396年11月23日至24日

1518年5月26日

1526年5月24日

1631年12月7日

1639年12月4日至5日

1761年6月6日

1769年6月4日

1874年12月9日

1882年12月6日至7日

2004年6月8日

2012年6月6日

2117年12月11日

2125年12月8日至9日

2247年6月11日

2255年6月9日

2360年12月13日

2368年12月10日至11日

2490年6月12日至13日

2498年6月10日

2603年12月16日

2611年12月13日

2733年6月15日至16日

2741年6月13日

2846年12月17日

2854年12月14日金星從日面南緣掠過

2976年6月17日

2984年6月14日至15日

3089年12月19日

3097年12月16日金星從日面南緣掠過

水星凌日是在地球軌道內繞太陽旋轉的水星和金星叫內行星，水星凌日現象和日月食現象很相像。由於水星軌道和黃道面重合，有一個7度的夾角，地球和水星恰好在它們的軌道焦點附近，這個時候太陽、水星、地球在一條直線上才會發生水星凌日。

（注意：表中時刻全為格林威治時間，北京時間需加8小時）

這兩顆系外行星是由開普勒探測器探測到的，這項發現將為科學家理解行星如何形成和它們如何發生交互作用提供至關重要的信息。同時，開普勒科學家發現該行星系統還可能存在第三顆更小的行星，質量大約是地球的1.5倍，其運行軌道距離恆星非常近，公轉一周僅1.6天。

這兩顆類似土星的行星分別被命名為“開普勒-9b”和“開普勒-9c”，它們共同環繞距離地球2000光年之遙的一顆恆星。這兩顆行星彼此存在引力交互作用，它們的軌道接近於2比1的比率，該現象也被稱為“行星共鳴”。同時，這也是第一次發現行星之間存在著軌道引力牽引現象。

開普勒探測器在為期7個月的勘測活動中，共發現156000顆恆星，該探測器的主要任務是發現太陽系外類似地球質量的行星。

在這項發現中，開普勒-9b的質量略大一些，其環繞恆星運行一周的時間是19.2天，而開普勒-9c環繞恆星運行一周的時間是38.9天。科學家聲稱，在更深入的勘測分析中將揭曉第三顆神秘類地行星的面紗。

開普勒探測器用於尋找適宜居住的行星，這些行星的溫度不能過熱，也不能過低，應當存在液態水，便於生命存活。