本文發表在《大眾科學》的前部落格網路中，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
幾個小時後，擁有晴朗天空的幸運觀測者將能夠看到金星從太陽前方經過。金星凌日很罕見——這是直到 2117 年之前的最後一次——但這並不是你尋找機會觀看它的唯一原因。這一天文事件在歷史上非常重要。自 17 世紀以來，天文學家利用金星凌日來更好地瞭解宇宙和我們在宇宙中的位置，即將到來的凌日也沒有打破這個延續了幾個世紀的傳統。
金星凌日
在探索金星凌日在歷史中的作用之前，有必要退後幾步。有必要了解一下我們太陽系的幾何結構，以瞭解為什麼這個事件如此罕見。
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金星大約需要 225 天才能完成繞太陽一週的軌道，而地球大約需要 365 天。這兩顆行星大約每一年半就會排列一次：金星直接位於地球和太陽之間。但我們並非每次都能看到凌日，因為金星的軌道與地球的傾斜度約為 3 度。從我們的角度來看，在這些情況下，我們看到金星在太陽附近經過，但沒有穿過太陽。當地球和金星在其軌道上的傾斜度相同時，就會發生凌日。那時，我們看到這顆行星像一個小點穿過太陽，這是一個罕見得多的事件。金星凌日以八年為間隔成對出現，但成對出現的情況不到一個世紀一次。凌日之間重複的模式是八年、105.5 年、八年和 120.5 年。
但天文學家並非總是知道凌日的時間表。事實上，他們對行星軌道的瞭解遠不如我們現在。在凌日成為天文學家有價值的工具之前，瞭解天文學作為一門科學的地位也是值得的，然後再深入探討歷史上的凌日故事。
我們的立場
直到 1543 年，我們一直是宇宙的中心。亞里士多德和托勒密的宇宙模型讓月球、水星、金星、太陽、火星、木星和土星圍繞地球執行，背景則是固定的恆星。但天文學家觀察到一些奇怪的現象，比如行星偶爾會在軌道上折返，這在以地球為中心的模型中無法解釋。波蘭天文學家尼古拉斯·哥白尼提出了一個優雅而有爭議的解決方案。他讓地球不再是中心，並假設所有行星（包括地球）都圍繞太陽執行。在這種模型中，天文學家看到的奇怪的行星運動可以歸因於他們的軌道視角。哥白尼在他去世的那一年，也就是 1543 年，出版了他的《天體執行論》。雖然他沒有看到，但他將宇宙世界觀改為以太陽為中心的體系。
德國天文學家約翰內斯·開普勒以哥白尼的日心模型為基礎。哥白尼保留了行星以完美的圓圈圍繞太陽執行的古老觀念，但觀測結果再次與該模型不一致。開普勒發現行星實際上是圍繞太陽作橢圓軌道執行的，他透過使用他的模型準確預測了 1631 年 11 月 7 日的水星凌日來證明了這一理論。1627 年，他還預測了 1631 年的金星凌日。
1631 年的金星凌日在歐洲不可見，而 1630 年去世的開普勒未能看到這次凌日的成對出現。他預測 1761 年會出現金星凌日，1639 年會出現接近凌日的現象。他錯了，英國天文學家傑裡邁亞·霍羅克斯發現了這個錯誤，並使用開普勒調整後的計算來預測 1639 年的事件。在那年 12 月 4 日下午三點一刻左右，他成為歷史上第一批觀測到金星凌日的人之一。他透過望遠鏡將太陽投射到一張紙上。他的朋友威廉·克拉布特裡也觀看了這一事件。霍羅克斯利用他的觀測結果猜測了金星的大小，並將資料與克拉布特裡進行了比較，以估計地球與太陽之間的距離。
從地球到太陽
17 世紀的天文學家沒有掌握地球和太陽之間的實際距離。到 17 世紀 60 年代，哥白尼的日心模型已被廣泛接受，並且行星的相對軌道已廣為人知。缺失的部分是一個數字。一切都以毫無價值的天文單位 (AU) 來量化，其中 1 AU 是從太陽到地球的平均距離。已知金星的平均軌道距離太陽 0.7 AU，但這並不是天文學家想要的精確值。如果他們能夠確定 1 AU 的值，他們就可以計算出每個行星軌道的尺寸，並且太陽系的影像（至少在當時被理解的那樣）將是完整的。
著名的哈雷彗星的發現者埃德蒙·哈雷是第一位提出利用金星凌日來找到 1 AU 值的天文學家。如果兩位天文學家從地球上兩個相距遙遠的位置觀測凌日，他們就可以利用凌日時間差和他們彼此之間的已知距離來計算地球和金星之間的距離。然後，應用開普勒關於行星軌道形狀的第三定律——行星的軌道週期的平方與軌道半長軸的立方成正比——他們就可以確定 1 AU 的值。
法國天文學家約瑟夫·尼古拉斯·德利斯改進了哈雷的方法。他規定，如果兩位觀測者知道他們在地球上的確切位置，他們只需要記錄金星邊緣與太陽邊緣對齊的時刻即可。這就足以計算出 1 AU 的值。
利用凌日測量太陽系
哈雷於 1742 年去世，那時他距離嘗試將他的方法應用於 1761 年的凌日還有 19 年。但許多天文學家接替他接受了這一挑戰。歐洲探險隊前往印度、東印度群島、西伯利亞、挪威、紐芬蘭和馬達加斯加，以獲得對該事件的最佳和最分散的觀測視角。在整個全球網路中，記錄了 120 多次凌日觀測，但大多數觀測質量較差，原因是光學問題和缺乏經驗的觀測者。對於 1769 年的凌日，記錄了 150 多次觀測，分別來自加拿大、挪威、加利福尼亞、俄羅斯，以及著名的塔希提島，這是詹姆斯·庫克船長第一次探險的一部分。但結果只是略好一些。
17 世紀的技術水平使得記錄凌日開始和結束的確切時刻變得不可能，原因是所謂的黑滴效應。當金星從太陽前方經過時，一層薄霧遮住了這顆行星，使得天文學家無法進行清晰的觀測。但即使是糟糕的結果也是結果。1771 年，法國天文學家傑羅姆·拉朗德結合了 1761 年和 1769 年的凌日觀測，計算出 1 AU 為 9500 萬英里（1.53 億公里），上下浮動約為 50 萬英里。這是一個開始，但它並不是天文學家所希望的精確值。
一個多世紀後，新一代天文學家試圖利用 1874 年和 1882 年的金星凌日來改進 1 AU 的值。這一次，不僅僅是當時的超級天文強國法國和英國為這一事件組織了探險隊。奧地利、比利時、巴西、丹麥、德國、義大利、墨西哥、荷蘭、葡萄牙、俄羅斯和美國都加入了這一國際努力，儘管它遠不是我們今天在國際合作中看到的那種有組織的活動。
一種新技術也為 19 世紀的這組凌日事件準備就緒：攝影。大多數天文學家認為他們的攝影記錄不夠好，無法提供準確的測量結果。只有美國天文學家認為他們在 1874 年凌日期間拍攝的 200 張照片足夠有希望，可以在 1882 年再次嘗試。
1882 年的凌日在美國可見，美國海軍天文臺製作了近 1400 張照片。雖然這是一個引人注目的記錄，但這些以及從世界各地其他地點收集的其他影像並沒有對 1 AU 的既有值起到完善作用。美國天文學家威廉·哈克尼斯研究了 1874 年和 1882 年的照片，得出的 1 AU 的值為 92797000 英里（149342295 公里），上下浮動約為 59700 英里。這更好，但仍然不夠準確。黑滴效應仍然存在；完美的地球觀測永遠無法擺脫大氣層的扭曲影響。
新技術、新目標
太空時代的技術很快解決了尋找 1 AU 值的難題。來自太空探測器的無線電遙測和雷達測量得出的值為 92,955,807.273 英里（149,597,870.700 公里），上下浮動約為 100 英尺。但僅僅因為這個大問題已經得到解答，並不意味著 2004 年和 2012 年的凌日必須打破天文學家利用該事件來進一步瞭解我們周圍宇宙的傳統。這一代人只是有了一個非常不同的目標。這一對凌日不是測量我們的太陽系，而是幫助天文學家測量系外行星的大氣層。
2004 年是自定量天文光譜學發明以來的第一次凌日，天文學家藉此機會對金星的上層大氣進行了詳細的光譜測量。光譜學在 20 世紀上半葉進入天文領域，它允許天文學家確定行星大氣層的化學成分。當陽光穿過金星大氣層時，氣體在某些已知波長處吸收光。到達地球的光線具有吸收光譜，天文學家可以讀取該光譜，以精確瞭解該行星大氣層的組成。
在 2004 年解密金星的大氣層不僅僅是為了更多地瞭解金星。進行光譜測量是應用相同方法來確定系外行星（圍繞太陽以外的恆星執行的行星）大氣成分的實戰演習。天文學家正在利用 2012 年的這次凌日來測試另一種研究系外行星的方法。
哈勃望遠鏡將使用其先進的巡天相機、第三代廣域相機和空間望遠鏡成像光譜儀，在不同的波長下觀察金星凌日，並進行光譜分析。但由於其相機過於敏感，無法直接對準太陽，哈勃望遠鏡將測量金星大氣層反射到月球上的光線。如果哈勃望遠鏡能夠以此方式準確讀取金星的資料，它將成為天文學家確定系外行星大氣成分的又一工具。如果宇宙中存在另一個地球，這可能就是找到它的方法。
在天文學的歷史程序中，金星凌日塑造並賦予了我們太陽系大小的概念。現在，凌日現象正在幫助我們理解我們在宇宙中的位置，不僅是相對於其他行星和恆星，更是相對於其他可能存在的世界和生命形式。當您稍後看到一個小點從一個圓面前劃過時，請記住這一看似微小事件背後的意義和豐富的歷史。