爱华网罕見天象，重現六月天！
撰文／狄克（Steven J. Dick）
翻譯／傅宗玫
2004年的6月8日將一如往常地破曉，但全世界會有很多人有幸目睹一樁極為罕見的天文景象。地點得宜的觀察者，如果用適當的濾光鏡保護他們的眼睛及雙筒或單筒望遠鏡，將能看到金星的輪廓襯在太陽表面，形成一個黑點橫越烈焰盤面的景象，歷時長達六小時。整個金星凌日過程在亞洲、非洲與歐洲的大部份地區都可看到；澳洲的人們只能在日落之前，看到凌日的開始階段；等到太陽在美國和南美洲的東海岸升起時，金星已經完成凌日過程的四分之三了。美國西岸和南美洲西南部的人們，很不幸地將完全錯過這場盛事（見第42頁插圖）。
金星凌日並不像日食那麼壯觀，日食是由月球通過地球和太陽中間造成的。雖然金星有月球的3.5倍大，卻離地球遠得多，因此和太陽比起來只是個小點，約只有太陽直徑的3%。那麼，為什麼科學家、教育人士和業餘天文學家對即將發生的凌日這麼興奮呢？原因之一是這是個罕見的現象：到目前為止，天文學家僅觀測過五次金星凌日，上次發生是1882年12月6日。如果觀察者錯過了2004年的凌日，2012年還有一次機會；但那之後就得交棒給他們的子孫，等到2117年再觀察了。
金星凌日的吸引力，另一部份來自於17~19世紀試圖觀察它而留下的多采多姿歷史。這段事蹟具備科學探險故事的所有要素：國際競爭、神秘的觀測效應，而其爭議性的結果，又會影響天文學史上最重要的問題之一。除此之外，金星凌日也令目前的研究人員備感興趣，因為這個現象可能有助於現代天文學一個熱門問題的研究：偵測太陽系外的行星。
從克卜勒到庫克船長
任何行星凌日的發生都是簡單的幾何問題：該行星必須從觀察者和太陽之間通過。從地球我們可以看到水星和金星凌日；由火星上，還可以看到地球凌日。（科幻作家克拉克著名的短篇小說〈地球凌日〉，靈感便來自知道在火星上的觀察者，1984年5月11日時可以看到地球由太陽面上橫過。）這樣的事件相對來說不常發生，因為各行星的軌道和黃道（由地球上看太陽在天空中的路徑）並不是在同一個平面。例如金星軌道和地球軌道有3.4度的夾角，因此即使金星和太陽在同一個方位（天文學家稱之為「合」），大部份時候金星都遠在黃道的上方或下方，而不是橫過太陽表面（見右頁〈金星凌日的幾何學〉）。同樣地，月球繞行地球也不是每個月都造成日食；它通常會由黃道的上方或下方通過。
「黑滴效應」是英國探險家庫克船長在1769年金星凌日時觀察到的現象。上圖是根據庫克的觀測所繪製，顯示金星的邊緣連附著太陽的邊緣，使得測定接觸的確切時間變得不可能。庫克猜測這個效應起因於金星的大氣。
金星凌日只有當地球和金星在兩者軌道交叉處附近發生「合」的時候才會產生，所以凌日事件通常每243年只有四次。凌日事件之間的間隔是可預測的：通常一次凌日後8年會有第二次；過105.5年後發生下一次，8年後再有一次；再過121.5年後重新循環。為什麼成雙的凌日通常會間隔8年才發生呢？因為金星繞太陽一周需要224.7天，13個金星年幾乎正好等於8個地球年。一對凌日事件中的第一次發生後8年，金星和地球的軌道之舞又回到幾乎相同的位置，所以它們仍然會大致和太陽對齊。太陽的角直徑（即它在天空中看起來的大小）大約是0.5度，所以能容許些微的誤差；如果第一次凌日時金星由太陽盤面某一側靠近邊緣處橫過，下一次就會由另一側橫過。但是有時候，一對凌日事件中只發生一次凌日，那是因為另一次稍有偏差。14世紀就只發生了一次金星凌日，而3089年12月18日也將是如此。
因為金星凌日很難用肉眼看見，在人類歷史上大部份的時期，人們都不知道有這樣的事情。第一個預測行星凌日的人，是17世紀德國天文學家克卜勒（Johannes Kepler），他編寫的魯道夫星表是當時最為準確的行星運動指南。他指出，水星會在1631年11月7日橫過太陽，接著是金星在同一年的12月6日凌日。克卜勒沒有活著見到他的預言是否正確；他死於1630年。那次水星凌日至少被三個人觀察到，其中最有名的是法國自然哲學家賈山迪（Pierre Gassendi），他留下了詳細的記錄。賈山迪估計水星的視直徑大約是20角秒（約是1度的1/180），這本身就是一大科學進展。不過，那次金星凌日在歐洲無法看見，雖然克卜勒已向全世界發出了消息，但目前未知有任何人觀察到它。
英國天文學家霍羅克斯（Jeremiah Horrocks）則發現，另一次金星凌日會發生在1639年12月4日（霍羅克斯寫下的日期是11月24日，因為英國直到1752年才採行貴格利曆）。他在位於利物浦附近馬奇霍的家中架設了一支小望遠鏡；藉著把望遠鏡裡的光線投射到紙上，他便能夠看到放大的太陽影像。他一直到中午都沒看到什麼不尋常的東西，只好不情願地離開，大概是去了教堂。等到他下午3點多回來的時候，他發現金星已經在太陽盤面上了！雖然霍羅克斯在日落之前只觀察到凌日初期的30分鐘左右，他估計金星視直徑約為1角分，即賈山迪所量測的水星視直徑的三倍。在馬奇霍東南方40公里的曼徹斯特，霍羅克斯的朋友克萊布崔（William Crabtree）用一支類似的望遠鏡，在日落前看到了金星凌日。就我們所知，目睹這次事件的，僅有霍羅克斯和克萊布崔兩個人。
1761和1769年的金星凌日，則是嚴肅得多的科學所觀測的目標。這時，英國皇家天文學家哈雷（Edmond Halley，最為人所知的是以他為名的彗星）已經設計出一套詳細的方法，利用金星凌日來計算地球到太陽之間的距離（現在稱為「天文單位」）。如果科學家能夠由地球表面兩個以上、緯度差距甚遠的地點觀察凌日過程，那麼每個觀察者會看到金星以稍微不同的路徑橫過太陽。因為每條路徑都是一條弦（連接太陽盤面邊緣兩點的直線），天文學家便能比較凌日持續的時間，而計算路徑間的角差。這個角差稱為金星視差，可以做為地球和金星距離的指標，因為兩個數值互成反比。想了解這個原理，你可以試著把一隻手指放在面前，然後輪流用左右眼看它。手指離你愈近，當你輪流用左右眼看時，相對的位移就愈明顯。
水星雖然每百年會發生13~14次的凌日，但卻不適用於哈雷的視差法或後來天文學家的其他改良方法。因為水星離地球太遠，角差太小而無法準確測量。即使是距離近得多的金星，這個測量也不容易；必須要知道觀測站確實的地理位置，且要能準確測定凌日時金星和太陽發生四次接觸的時間（第一和第二次接觸發生在初切，即金星的盤面由外然後再內接觸到太陽盤面；第三和第四次接觸發生於終切）。但這些觀測潛在的報酬是很可觀的。天文學家已經由克卜勒的行星運動定律知道所有行星和太陽的相對距離，所以他們能夠由金星視差計算出太陽視差，讓科學家得以估計地球與太陽的距離，以及整個太陽系的尺度。
不幸的是，1761年凌日得到的觀測結果並不如預期的好：測量到的太陽視差範圍是8.3~10.6角秒。1769年的觀測結果範圍則縮小許多，在8.43~8.8角秒間，這使得天文單位的估計值約在1.50~1.56億公里之間。1769年的觀測者之一是當時美洲殖民地最傑出的科學家李滕豪斯（David Rittenhouse），他由望遠鏡看出去之後興奮得昏厥。英國探險家庫克船長（James Cook）在奮進號的首趟旅程，主要目的就是在探索南太平洋的同時觀察金星凌日。庫克和他的船員成功進行了觀察，地點就在大溪地一個今日仍叫做金星岬的地方和附近兩處地點。但是庫克回報了一個令其他觀測者也困擾不已的麻煩問題：判定金星和太陽接觸的確切時間相當困難，因為兩者的邊緣似乎有好幾秒鐘是相連的。這個現象後來被稱為「黑滴效應」，庫克猜測是由「金星周圍的大氣或塵埃雲」造成的。
1824年德國天文學家恩克（Johann Franz Encke）分析了18世紀兩次凌日的結果，他的結論是太陽視差為8.58角秒，對應的太陽平均距離是1.53億公里。但是30年後，丹麥天文學家韓森（Peter Andreas Hansen）提出辯駁，根據太陽重力對月球運行的擾動，太陽應當要比上述的估計值近得多。此一說法於1862年又進一步得到支持，當時量測的火星視差（由比較相距甚遠的兩觀察點所看到的火星位置得出）推算的天文單位約在1.46~1.49億公里間。因此到了19世紀金星凌日前夕，地球和太陽的距離仍是個極不確定的數值。英國皇家天文學家艾瑞（George B. Airy）在19世紀中葉說，測定太陽視差乃「天文學中最崇高的問題」。19世紀一位天文史學家克勒克（Agnes Mary Clerke）寫道，太陽視差是「丈量宇宙的標準……天文學裡至為重要的基礎數值，是空間的單位，其估計值若有任何誤差，就會在行星和恆星系統裡以數千種不同方式加乘、重複。」
時至1857年，艾瑞擬出了一套觀測1874年金星凌日的計畫，到了1870年英國已經在建造所需的儀器。科學界也有一些類似的計畫正在進行中。當眾人引頸企盼的日子逐漸接近，各國派出的探險隊至少有俄國26組、英國12組、美國8組、法國和德國各6組、義大利3組以及荷蘭1組。「每一個想要維持或爭取科學聲望的國家，都站出來參與金星凌日這場天文盛事。」克勒克寫道。這些探險隊多采多姿的歷史，得用一本專書來記述；每一隊都有自己的故事，而每一隊都有著不同程度的成功或失敗。
美國海軍天文台（當時居美國天文界領導地位）的紐康（Simon Newcomb）力促美國國家科學院研究這個問題。美國國會組成了「金星凌日委員會」，而紐康和海軍天文台的其他天文學家在當中扮演重要角色。委員會為1874年的凌日籌組了八支探險隊，三支在北半球、五支到南半球；國會慷慨撥給了17萬7000美元的資金，相當於今日的200萬美元以上。
每個探險隊都配備了精密的設備：為了能目視觀察金星和太陽接觸的瞬間，研究人員使用的折射式望遠鏡，其上裝配的直徑12.7公分鏡片是由19世紀美國最好的望遠鏡商「克拉克父子」所製造；科學家也使用一種僅發明20年的儀器「太陽照相儀」來拍攝太陽影像。天文學家用鏡子將太陽光導入一架焦距為12.2公尺的固定水平望遠鏡，並緩緩轉動鏡子以保持太陽影像不動，結果望遠鏡拍下多張太陽影像，照片中的太陽直徑達10.2公分，讓天文學家可精確追蹤金星在太陽盤面的移動。
當時Scientific American也密切注意各個探險隊的進展，1874年9月26日出版的那一期報導指出，載送美國探險隊前往南半球的船艦斯瓦塔拉號，僅僅花了35天就由紐約抵達巴西。歐洲方面則大多選擇另一種拍攝配備：焦距較短的小型望遠鏡。他們的器材設計能得到品質較高的照片，但是因為影像比美國團隊小，所以測量金星在太陽上的位置反而變得較為困難。
金星凌日終於在1874年12月9日發生，許多探險隊卻受天候不佳之苦。更糟的是，當天文學家分析以目視觀測的接觸時間點，他們很快地發現，結果並不比18世紀的記錄好。世界各地的問題都一樣。帶領觀測隊前往澳洲塔斯馬尼亞島荷巴特鎮的美國海軍天文台天文學家哈克尼斯表示：「『黑滴』以及金星和地球的大氣再次導致一連串複雜的現象，持續了好幾秒，很難在那期間找出真正的接觸時間點。」
因此，照相觀測變得更加重要，但是這方面也令人失望。哈克尼斯回憶道：「說歐洲天文學家拍攝的照片完全失敗的謠言，很快便甚囂塵上。」英國官方的報告宣稱：「經過費力的測量和計算，再與望遠鏡觀測的結果相較之後，我們認為最好不要發表照片測量的結果。」就如哈克尼斯指出的，因為研究人員無法確定太陽盤面的邊緣，更不可能準確定出金星相對於太陽的位置：「不管肉眼看起來照片上的太陽邊緣多麼清晰，只要用顯微鏡觀察，它就變得模糊而無法描繪；如果把照片放在測微計的精細規線之下，更完全看不出邊緣了。」法國人發表了他們的結果，但是附上很大的誤差。
所有的希望都集中到了美國探險隊上，他們用長焦距太陽照相儀獲得了約220張可測量的照相板。1881年，就在下一次凌日的前夕，美方發表太陽視差為8.883角秒。但是這些結果的誤差之大，使得很多天文學家（包括紐康）都認為金星凌日不是測定天文單位的好方法；但哈克尼斯卻沒有失去信心。美國利用國會追加的撥款，又派遣了八支探險隊觀測1882年的凌日。哈克尼斯花了將近10年的時間分析這次凌日的照片，結論是太陽視差的最佳估計值是8.809角秒，對應的地日距離是1億4934萬公里，而可能誤差為9.6萬公里。現今透過太空船觀測或其他方法精確得到的真正平均距離是1億4959萬7870公里（對應的太陽視差是8.794148）。
金星凌日的觀測對天文學史有多重要？雖然紐康所整理的天文常數系統（這套系統在20世紀大部份的時間裡，廣為國際採用），所使用的太陽視差數值和哈克尼斯的相當接近，但相對於其他估計此數值的方法，紐康只給金星凌日很低的權重。他認為「黑滴」和其他的誤差，嚴重影響了藉由凌日估計天文單位的可行性。
有趣的是，「黑滴」作用的原因仍然是個很具爭議性的問題。18和19世紀學家把它歸咎於許多不同的原因，包括地球和金星兩者的大氣。但是當科學家用「過渡區及日冕探索者」（TRACE）衛星觀測1999年的水星凌日（水星沒有大氣，且TRACE是從遠在地球大氣上方進行觀測），他們仍然看到微弱的「黑滴」作用（見第41頁左圖）。雖然這個發現無法駁斥大氣作用強化「黑滴」的假設，但是真正的成因顯然另有其由。
由美國亞利桑那大學史都華天文台的史奈德（Glenn Schneider）、威廉斯學院–霍普金斯天文台的帕沙可夫（Jay M. Pasachoff）以及史密森尼天文物理觀測站的高魯普（Leon Golub）共同領導的TRACE團隊，所獲得的結論是：「黑滴效應」部份是由行星和太陽盤面之間的光學暈抹所造成。要看到類似的現象，你可以把拇指和食指靠得非常近，然後對著很亮的背景看兩根手指之間的細縫；即使兩根手指沒有碰在一起，它們之間仍會有個暗色帶。除此之外，太陽盤面邊緣亮度變暗也是造成「黑滴」的一大因素。TRACE的研究人員指出，在觀測即將發生的金星凌日時，也許可以用新的技術減輕這個效應。
你可以在這裡看到金星凌日的部份過程
【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2004年第28期6月號】
