本文出席百家號#科學了不起#天文航天系列征文賽。
1769年,當金星經過太陽時,天文學家估算出了地日距離。這么,究竟是怎樣估算下來的呢?
圖解:兩組接觸時刻的合照。右側質量較差的相片中可以見到黑滴現象。
1769年,開普勒行星運動定理和牛頓萬有引力定理早已被提出而且證明有效。每顆行星的軌道周期早已被檢測過,而且還沒有檢測過其絕對距離。開普勒第三定理(當然就是牛頓萬有引力定理的一種特殊方式)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系。
圖解:凌日法是測量太陽系外行星的方式,圖的下邊演示隨著時間的推移,前往月球的光度是怎樣變化的。
比如,開普勒第三定理告訴我們,假如金星的軌道周期是0.62年(月球年),這么,它到太陽的平均距離為地日距離的72%。天文學家曉得了每顆行星與太陽間的相對距離,而且她們不曉得怎樣用這種距離與月球的厚度單位(如英里)或則月球的大小作比較。既然行星的軌道周期早已曉得了,這么曉得其任何一個絕對距離就可以估算出所有其他行星的距離。所以,假若我們曉得了地日距離,這么我們也就曉得了金星的軌道大小以及它的聯通速率。因而,所有線索都與一個數字有關:地日距離。
其余部份則由天文學家所說的視差決定。
想像一下,你和一個同學站在街道一邊,并且相隔甚遠。同學在你的左邊,但是大家兩個人都盯住街道旁邊的同一根路燈柱看。一輛車輛從你的左側開過來,這輛車先穿過了你的視線,之后過了一會兒才穿過你同學的視線,對嗎?由于你的同事在從另外一個角度看路燈柱。
圖解:雖然有所謂的黑滴效應使金星凌日的檢測十分困難,但這些罕見的現象金星凌日,長久以來仍是檢測天文單位的最佳方式。
假如你曉得你和同事之間的距離、汽車的速率以及車輛穿過大家視線的時間差,這么可以按照幾何學估算出大家和路燈柱之間的距離。
以這種推,你和你的同事在兩個不同的天文臺(月球上相隔很遠的地方)盯住太陽,等待金星凌日。大家各自看見金星凌日的時間將會略有不同,更重要的是,大家看見金星穿過太陽表面的路徑也會稍有不同,此時記錄下這次觀察凌日大家之間的略微差別。按照這種檢測和一些三角學知識,可以估算出到太陽的絕對距離。1771年,西班牙天文學家杰羅姆·拉蘭德()依據對1761和1769年金星凌日觀測結果的剖析,估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別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為根據比列。
早在一個世紀曾經,就有人使用相同的原理(視差)來觀測火星,并得出另一個相當精確的天文單位的估算結果。1672年金星凌日,當火星緊靠月球時,喬瓦尼·卡西尼(,在倫敦)和讓·里奇(Jean,在法屬西非)同時進行了觀測,比較了火星相對于背景星星出現的位置,得出了一個天文單位的值,大約比現代的值高7%。