本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
你是否已經厭倦了閱讀今年關於金星凌日的文章？是的？我也是。但事實是，當天體在我們和其他物體（如恆星的耀眼光芒）之間移動時，可以學到非常多的東西。我不會在這裡深入探討金星凌日的樂趣，因為關於歷史觀測和今年的觀測已經有很多文章（為了上帝的緣故，不要直視太陽），除了說如果您好奇，這裡列出了一些過去、現在和未來的金星凌日（感謝NASA）。
金星凌日：1601-2400
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日期 世界時 分離角
時間（太陽和金星）
1631年12月07日 05:19 940"
1639年12月04日 18:25 522"
1761年06月06日 05:19 573"
1769年06月03日 22:25 608"
1874年12月09日 04:05 832"
1882年12月06日 17:06 634"
2004年06月08日 08:19 627"
2012年06月06日 01:28 553"
2117年12月11日 02:48 724"
2125年12月08日 16:01 733"
2247年06月11日 11:30 693"
2255年06月09日 04:36 492"
2360年12月13日 01:40 628"
2368年12月10日 14:43 835"
您會注意到表中的幾件事。首先，正如廣泛承諾的那樣，即將到來的6月5日/6日的凌日確實是地球居民在2117年12月11日之前的最後一次，所以如果您想再次看到它，請繼續服用那些抗氧化劑。接下來是第3列中列出的太陽-金星視覺分離角，這些以角秒（精確地為度的1/3600）為單位測量，指的是太陽盤中心與金星最接近該中心的點之間的距離。它們都不是零（這將表明凌日穿過太陽中心），那是因為金星和地球都不是在與其赤道完全相同的平面內繞太陽執行。事實上，我們相對幸運，2012年6月的這次凌日是可能發生的更近的凌日之一。現在，如果您非常敏銳，或者只是純粹的強迫症，您還會看到凌日復發的間隔遵循一種模式 - 它們總是大約相隔8年、121年或105年。因此，好運似乎確實與我們同在，這是自望遠鏡發明以來僅第六次凌日，並且僅在上次凌日之後8年就發生了。
儘管這很漂亮，但今天真正令人興奮的凌日方面來自於對系外行星的研究。 例如，NASA的太空望遠鏡開普勒旨在發現數千光年之外的行星凌日恆星時發生的微小日食。 使用這項技術，它揭示了超過 2,300 顆優秀的系外行星候選者 - 幫助我們改變了我們對銀河系中系外行星豐富程度的理解。 這些凌日是機會幾何對準的結果，行星軌道越小，恆星越大，這種對準的可能性就越大，但真正的寶藏來自於每次凌日事件的細節 - 所謂的“光變曲線”，它追蹤恆星亮度隨時間的變化。 這段精彩的動畫（NASA，開普勒）顯示了光變曲線（稍等片刻），一顆氣態巨行星繞其母星執行併發生凌日。
為了不讓它看起來太容易，請注意，光線下降的幅度被大大誇大了。一顆木星大小的行星和一顆類太陽恆星將導致大約 1% 的凌日下降，而一顆地球大小的行星僅產生 0.008% 的下降。 儘管如此，如果開普勒這樣的儀器檢測到足夠多的凌日事件以構建統計“包絡”，將所有資料加在一起，它就可以達到這種精度水平。 您還會在動畫中注意到，巨行星自身反射的光線有一個暗示，甚至當行星被恆星遮蔽時也會有一個小小的下降。 如此精細的細節確實可以看到，例如，在開普勒對巨行星 HAT-P-7 的測量中。
這些光變曲線中包含了很多資訊。 凌日曲線的圓形形狀是恆星盤表面亮度變化的結果（由於恆星外層大氣的霧狀不透明度，邊緣較暗）。 它們的深度直接衡量行星和恆星的相對大小，它們的寬度受穿過恆星盤的路徑（與金星一樣，通常不是穿過赤道）、該盤的大小和軌道速度的控制。 如果存在行星環或衛星，這些也可能在光變曲線的形狀和時間安排中顯示為精細的細節。
掌握系外行星的物理直徑意義重大 - 有了這一點，以及對其質量的估計（來自使用光譜資料測量其對恆星的引力），我們就可以開始評估另一個世界的實際內部成分。 我在不久前為開普勒-22b 案例詳細討論了這一點。
但這只是冰山一角。 巧妙地利用凌日，天文學家現在不僅能夠繪製出許多巨行星和一些不太巨大的行星的大氣溫度圖，而且還能探測到它們的一些大氣成分。 在凌日期間，星光穿過行星大氣層部分透明的外層。 大氣層中的原子和分子會在光譜中留下印記，有選擇地在非常特定的波長處吸收光子。 結果呢？ 我們現在已經看到鈉、氧、碳、甲烷，甚至水等化合物潛伏在少數大型系外行星的高海拔區域。 最終，這項技術可能會產生對地球大小行星大氣成分的首次測量，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡可能能夠對幾個附近的系統做到這一點。
在我們取得這一突破之前，還有另一種極其巧妙地利用凌日的方法，揭示了系外行星系統的一些真正出乎意料的特性。 這有點技術性，但 Rossiter-McLaughlin 效應可以追溯到 20 世紀 20 年代，透過其在食雙星中的應用。 對於行星凌日，其思想是這樣的：恆星旋轉，因此我們從恆星收集的光是來自恆星旋轉遠離我們的一側（這會將它們紅移到更長的波長）的光子，以及來自恆星旋轉朝向我們的一側（藍移到更短的波長）的光子的混合物。 因此，由於這個原因，任何特定的光譜特徵都會被塗抹或展寬 - 我們總是看到這種光子混合物。
但是，如果一顆凌日行星現在橫穿恆星盤，它有時會阻擋更多的紅移光子，有時會阻擋更多的藍移光子 - 這取決於它在天空中的路徑。 這裡的兩張幻燈片來自我在哥倫比亞大學教授的一門課程，總結了這種光線不同程度的阻擋的影響。
簡而言之，如果您在凌日同時測量星光的光譜，您會發現它會變紅和變藍，並且非常依賴於凌日行星所採取路徑的實際幾何形狀。 它可能看起來像是行星引力引起的恆星速度擺動本身有些傾斜。
真正美妙之處在於，我們現在有一種方法來測量行星軌道相對於恆星自轉軸的方向。 當您考慮到除了來自恆星的光線之外，我們什麼也看不到，恆星只是天空中一個微小的點，能夠將另一個太陽系的軌道結構剖析到如此精細的程度，簡直令人驚歎。
我們發現了什麼？ 嗯，這些行星中的許多行星都在與恆星赤道緊密對齊的平面內執行，並且方向與恆星自轉方向相同，就像我們自己的太陽系一樣。 但有些不是； 一些瘋狂、愚蠢、意想不到的世界實際上完全在相反的方向上執行！ 事實上，多達 20% 的近距離軌道、熱木星型行星處於逆行軌道。
這意義重大。 共識觀點是，所有從圍繞年輕恆星的氣體和塵埃盤中形成的行星最初都應該以與整個系統旋轉相同的方向執行。 這意味著在某些情況下正在發生一些奇怪的事情，將這些世界拋入基本上“翻轉”成逆行狀態的軌道。
對於行星軌道結構的性質來說，這是一個引人入勝且出乎意料的轉折，它揭示了許多物體歷史中存在很大程度的動力學不穩定性和變化。 因此，如果您有幸在有生之年趕上最後一次金星凌日，請記住這僅僅是開始 - 凌日可以揭示行星的大小、環、衛星、成分、溫度、大氣成分、軌道排列，並且很可能在我們再次看到金星掠過太陽表面之前給我們帶來更多驚喜。