金星凌日与前沿科学

预报中的新千年最罕见天象——2004年和2012年金星凌日，已经华丽落幕了。虽然金星凌日总是相隔8年两两成对地出现，但前后两对之间则相隔105.5年或121.5年。与之相比，号称“罕见”的日全食每隔16个月左右就会在地球上的某处上演。所以，只有现在刚出生的孩子有希望看到2117年和2125年的金星凌日。

一个国际科学家团队借助天基和地基的设备，力图对2012年金星凌日进行覆盖大部分电磁波段的全面记录。在北美和全球，公共教育机构和宣传文章吸引了数千万人观赏这一天象。我们也热切希望通过这个难得的机会研究金星大气，并设法改进用凌星方法寻找系外行星的观测技术。

2004年金星凌日前，当世应该没有人曾经亲眼见过这种天象。澳大利亚一家动物园的一只加拉帕戈斯龟Harriet（死于2006年）或许见过19世纪的两次金星凌日，据说它是由伟大的生物学家查尔斯·达尔文于1835年发现的。

在2004年金星凌日来临前，Brad Schaefer（路易斯安那州立大学）意识到对所谓“黑滴效应”的大多数公开解释都不正确，那时普遍认为它是由金星大气导致的。黑滴效应是指一条黑色连接，它将金星完全覆盖在日面之上时的轮廓与日面之外的黑色天空背景连接在一起。在第二切和第三切时，这个效应会持续1分钟以上，影响了精确地测量相切时间。埃德蒙·哈雷于1716年提出了利用金星凌日的精确计时对日地距离进行三角测量的方法，自此以后，黑滴效应就一直困扰着用这种方法测量太阳系大小的工作。

在得知Schaefer的论文后，我就邀请Glenn Schneider（亚利桑那大学）重新处理和分析了1999年水星凌日的图像档案，它们是NASA的TRACE探测器拍摄的。由于水星基本上没有大气，而TRACE卫星又位于地球大气层之外，所以，水星凌日图像中的黑滴效应证明了大气与这种光学失真现象完全无关。我们发现，日面临边昏暗（日面亮度从中心向边缘逐渐变暗的现象——译者注）是造成黑滴效应的一个重要原因。通常所指的太阳是一个炽热的气体球，它看似有一个“边缘”，这是因为日面在一个极小的角度内对于人眼就由不透明变为透明了。太阳在这个小间隙内迅速地变暗，加上望远镜在拍摄凌日行星的黑色圆面时的内秉光学限制，最终形成了黑滴效应。

为了在金星人凌和出凌时观测黑滴效应，我们在希腊观测了2004年的金星凌日，在那里凌日全程可见。我们同时与TRACE团队合作。在第二切前的15分钟左右，那时金星只有一小半进人了日面，一道又细又亮的光晕就出现在了金星边缘的背日侧。那是金星的上层大气折射的太阳光！随着第二切临近，因为金星的上层大气（中间层）向地球折射的阳光越来越多，光晕也越来越亮。我们记录了亮度是如何沿着光晕变化的。尽管在21世纪，没有天文学家预料到光晕会如此地明显，但是在1874年的金星凌日时，就有澳大利亚观测者画下了这种光晕。

为了找出光晕与金星纬度带方向风带的关系，我们和法国科学家一起研究了2004年的凌日观测资料，最终得出了与中间层光晕模型非常符合的结果。这也帮助我们决定了应该怎样对2012年金星凌日进行光谱观测。

对于2012年的金星凌日，Schneider和我打算将研究重心放在光晕是如何随时间变化的。这同样需要一个凌日全程可见的地点，我选择了夏威夷大学的太阳天文台，它位于Haleakala山上，这是耸立在毛伊岛最东边的一座约3050米高的火山（我们在这里观测了2006年的水星凌日）。而美国国家太阳天文台也为我们分配了新墨西哥州萨克拉门托峰的Dunn太阳望远镜的观测时间，在那里，天文学家Kevin Reardon正管理着一具最先进的摄谱仪。

但是放眼全球，我们的研究小组只是众多想通过金星凌日做出新发现的团队之一。基特峰国家天文台（亚利桑那州）动用了全部三台太阳望远镜来观测金星凌日，进行成像和光谱观测。我们也和大熊湖天文台（加利福尼亚州）的“新太阳望远镜”的科学家合作，研究光晕和黑滴效应。

在2011年的一次太阳天文学家会议上，我咨询了一些空间探测器项目的领导人，看他们是否可以对金星凌日进行更全面和更先进的观测。令我高兴的是，所有人都接受了我的建议，包括NASA的太阳动力学天文台（SDO）的专家，SDO是TRACE的接替者。例如，Phil Scherrer（斯坦福大学）就热情地同意将SDO从常规观测模式转为凌日观测优先，他是SDO的日震与磁场成像仪（HMI）的负责人。遗憾的是，当金星凌日发生时，欧洲空间局（ESA）的SOH0探测器恰好处于观测区域外。

我的几名同事还参加了2011年的一次行星科学会议，遇到了ESA的“金星快车”轨道器的主要科学家。他们意识到，将凌日观测与近距离探测器的观测相结合，一定会带来新发现。“金星快车”每次观察日出和日落时，都处于金星大气上空的不同位置，而金星大气处在不断变化之中。当金星大气的中间层把阳光折射向地球时，我们就可以借助整个光晕在某一瞬间的观测数据，帮助探测器校准仪器、提高观测精度。

Thomas Widemann（法国巴黎默东天文台）和Paolo Tanga（法国蓝色海岸天文台）发起了一个国际合作小组，名字叫做“金星晨昏实验”，目的在于监测金星凌日过程。他们制作了9个一模一样的日冕仪折射望远镜，都装有10厘米镜片，以及用以遮掩太阳光球耀眼光芒的挡板，以便更清晰地揭示金星光晕的特征。其中2个日冕仪被安装在较高的高度：一个在Haleakala山，由我们操纵；另一个在哈萨克斯坦境内高2750米的天山山脉上。这些日冕仪都安装了滤光片，只有蓝光可以通过。

其余7个日冕仪分别在日本的北海道、马克萨斯群岛的努库希瓦岛、印度乌代布尔地区的太阳天文台、澳大利亚昆士兰的Isa山、北极圈内的挪威属地斯瓦尔巴岛，以及亚利桑那州的洛韦尔天文台，在洛韦尔天文台安放了两架。Tanga在洛韦尔天文台使用其中一台进行CCD成像；与此同时，科学史家William Sheehan（也是《天空与望远镜》特约编辑）则用另一台尝试以肉眼看到光晕。这些日冕仪装有不同的滤光片，以便我们观察金星上层云层里的漂浮颗粒是如何在不同波段吸收光线的。蒙古、斯洛伐克和中国的一些太阳望远镜和日冕仪也是我们工作网络的组成部分。

除了Glenn和我，威廉姆斯学院的金星凌日远征队还包括了学院里的同事Bryce Babcock和本科生Muzhou Lu。远征队在凌日前的一周抵达毛伊岛。

我们和夏威夷大学的科学家一起使用Mees太阳天文台圆顶下的两台望远镜。我们把自己的日冕仪、各种相机和望远镜放在附近的一个圆顶外，并尽量不让它们受到风的影响。我们还借来了一个Paramount ME型德国式赤道装置，好让望远镜在强风中也能准确地定位。我们采用了“好运拍摄法”，也就是拍摄许多短曝光图像，桃选出其中最好的一些来对准叠加。

Roll Dantowitz是马萨诸塞州布鲁克林地区Clay中心天文台的研究人员，他带着10厘米的高桥反射望远镜和高清晰度RED Epic型数码相机加入了我们的行列。Haleakala业余爱好者协会的RobRatkowski在联络交流、提供望远镜和支架装置，以及其它许多方面给了我们很大帮助。我们还有多部尼康相机和镜头，焦距最长的600毫米镜头带有从美国国家地理学会借来的2倍的放大装置，该学会为我们的远征提供了主要的资金支持。还有许多组织和个人为我们提供了技术支持。

与夏威夷大岛上高达4200多米、拥有多座天文台的莫纳克亚山顶相比，我们很高兴身处3050米左右的高度，因为海拔高度不是非常高，在这里人们可以正常工作并保持清醒的头脑。尽管Haleakala山作为天文观测站址没有莫纳克亚山有名，但它也是一大批望远镜的家园，有用于追踪卫星的美国空军望远镜、Pan—STARRs望远镜原型、属于Las Cumbres天文台全球望远镜网络的2米北Faulks望远镜等专业设备和爱好者设备。有22个机构计划在这里合作建造“先进技术太阳望远镜”。

金星凌日始于夏成夷当地时间6月5日星期二的午后不久，这时太阳已经高悬在头顶上了。我们都很轻松，因为天空非常晴朗。事实上，这时正是太阳物理学家们所说的“日冕天气”：天空非常晴朗、纯净、透明，甚至不必在发生日全食期间，用日冕仪就可以观测到日冕；我把手臂伸直，伸出拇指挡住太阳，可以看到天空是一色的蓝，没有散射光。但是我们需要对付山顶的大风，当时的稳定风速约为13.4米/秒，短时阵风可达22.4米/秒。

在金星凌日开始时，Schneider通过一台“科视达”看到了金星的轮廓，各种摄像机和CCD相机的快门声此起彼伏。在第一切前2分钟，日冕仪探测到了光晕。金星大气的边缘看上去就像一长条明亮的碎片，持续了约15分钟，时间足够我离开相机去用肉眼观测这一罕见的景象。在洛韦尔进行目视观测的Sheehan也在第一切的前一瞬看到了这段光晕的一部分，一直持续到第二切，总共20分钟左右。

Dantowitz借来的望远镜驱动出问题了，所以在6.5小时的整个凌日过程中，他一直在手动追踪太阳和金星。他录制了超过60万张图像，这些短曝光图像需要统一整理和分析。我们想让他休息一下，但是一切都如此顺利，以至于他根本不愿让别人使用自己的设备。

正如预料的那样，我们在第一切和第二切之间的大部分时间内都看到了光晕。但令人喜出望外的是，在第三切和第四切之间，我们看到了和先前一样长时间的光晕，那时太阳仅在地平线以上3.5°。向西看去，地球大气非常明澈，使我们看到了整个出凌过程，只是拍摄图像时需要长时间曝光。多亏Haleakala山高达海拔3050米，这使得地平线降低了2°，所以仍然可以在太平洋上看到第四切。

虽然日冕仪在风中有点摇晃，但我们还是拍摄到了一些质量非常好的照片，显示出了金星大气在人凌和出凌时的部分或全部的光晕。我们正在分析这些数据，并发给了法国的同伴，以便与他们的结果进行比较。法国同伴们收集了遍布全球的多个日冕仪的数据。他们的初步分析表明，2012年的光晕与2004年相比，有着相当大的不同。2012年的结果确认了之前的观测，即最强烈的光晕亮度是在金星的高纬度地区产生的。

加州大熊湖的“新太阳望远镜”提供了非常漂亮的高分辨率图像。但是对于我们这些在Haleakala山看到了整个凌日过程的人来说，大熊湖的视频结束得太快了，这是由于当金星在日面上才走过不到一半的路程时，望远镜就达到了最低指向高度。尽管如此，大熊湖天文台对光晕以及黑滴效应产生演化过程的观测仍然是最高质量的。

在新墨西哥州萨克拉门托峰工作的Reardon拥有最优良的太阳望远镜，他的成像光谱仪上除了有标准的太阳滤光片外，还附加了高质量的二氧化碳滤光片，所以他的观测记录非常震撼。一组最震撼的照片是金星的轮廓正从日珥前经过（见前页）。

在太空中，NASA的SDO卫星上搭载的两台相机进行了精细观测，显示了光晕的演化过程。日本的“日出”（Hinode）卫星的一台相机可以在多个颜色波段进行观测，提供了从地球附近观察金星大气的分辨率最高的图像——每像素仅0.05角秒，仅为SDO像素分辨率的1/10。这些观测数据需要好几个月才能分析完毕。“日出”卫星的X射线望远镜还发回了金星从炽热的日冕前穿过的生动图像，其上的极紫外光谱成像仪也观测了金星凌日。

自2004年金星凌日以来，已经新发现了数百颗系外行星，其中230余颗被确认会从寄主恒星的正前方越过。此外，利用NASA的开普勒空间望远镜的光度计数据，已辨识出2300多个候选凌星系外行星，其中绝大多数在后续的详细研究完成后，将被确定为凌星系外行星。因此有必要研究我们太阳系本身的凌日现象。如果我们尚不能在凌日期间弄清金星大气的情况，又怎么能相信在遥远的系外行星上发现大气的观测报告呢？与2004年的金星凌日相比，这次凌日发生在日面上出现大量黑子的时候——这也是除行星凌之外，系外行星的寄主恒星亮度发生变化的原因之一。

NASA的ACRIMSAT卫星和SORCE卫星也在对系外行星进行观测。它们也都经过了凌日现象可见的区域，都记录下了太阳亮度的0.1%的下降，这与金星盘面遮掩日面的几何比例相符合。在卫星的倾斜轨道上，它们也观测到了金星轮廓在日面上的投影稍微偏南或偏北造成的影响，考虑日面临边昏暗效应后，会发现这种影响可以改变太阳的总亮度，改变幅度取决千日面被遮掩部分的位置。进一步约简数据将会更清晰地揭示出这些效应。对这些细微的效应做出精确解释，可以帮助我们寻找凌星系外行星并描述其性质特征。

能得到这么多来自全球的卓越的2012年金星凌日观测报告，我感到非常欣慰，因为我感觉有责任为22世纪的天文学家提供一个尽可能好的对比基准，特别是考虑到在下个世纪中，仪器和观测技术的进步必然会发生。那时的天文学家们必然会带着困惑和赞赏来回顾我们的工作，就像我们回顾1761/1769年和1874/1882年的两对金星凌日时，对当时科学家的研究能力感到惊奇一样。今天的天文界提供了如此多的资源来观测2012年的金星凌日，我希望我们的成就能让未来的天文学家感到骄傲，并感谢我们的工作。

——译自《天空与望远镜》（2012年10月号）