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科学家是如何通过金星凌日测出日地距离的?
发布时间:2020-01-07
 

1769年,当金星经过太阳时,天文学家计算出了地日距离。那么,到底是如何计算出来的呢?


科学家是如何通过金星凌日测出日地距离的?


1769年,开普勒行星运动定律和牛顿万有引力定律已经被提出并且证明有效。每颗行星的轨道周期已经被测量过,但是还没有测量过其绝对距离。开普勒第三定律(其实就是牛顿万有引力定律的一种特殊形式)描述了每颗行星的轨道周期与其和太阳间相对距离之间的联系。例如,开普勒第三定律告诉我们,如果金星的轨道周期是0.62年(地球年),那么,它到太阳的平均距离为地日距离的72%。


科学家是如何通过金星凌日测出日地距离的?


这样天文学家就知道了每颗行星与太阳间的相对距离,但是他们还不知道如何用这些距离与地球的长度单位(如英里)或者地球的大小作比较。既然行星的轨道周期已经知道了,那么知道其任何一个绝对距离就可以计算出所有其他行星的距离。所以,如果我们知道了地日距离,那么我们也就知道了金星的轨道大小以及它的移动速度。因此,所有线索都与一个数字有关:地日距离。

其余部分则由天文学家所说的视差决定。


科学家是如何通过金星凌日测出日地距离的?


想象一下,你和一个朋友站在街道一边,但是相隔甚远。朋友在你的右边,并且你们两个人都盯着街道对面的同一根路灯柱看。一辆汽车从你的左边开过来,这辆车先穿过了你的视线,然后过了一会儿才穿过你朋友的视线,对吗?因为你的朋友在从另外一个角度看路灯柱。


科学家是如何通过金星凌日测出日地距离的?


如果你知道你和朋友之间的距离、汽车的速度以及汽车穿过你们视线的时间差,那么可以根据几何学计算出你们和路灯柱之间的距离。


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以此类推,你和你的朋友在两个不同的天文台(地球上相隔很远的地方)盯着太阳,等待金星凌日。你们各自看到金星凌日的时间将会略有不同,更重要的是,你们看到金星穿过太阳表面的路径也会稍有不同,此时记录下此次观察凌日你们之间的略微差异。根据这些测量和一些三角学知识,可以计算出到太阳的绝对距离。1771年,法国天文学家杰罗姆·拉兰德(Jerome Lalande)根据对1761和1769年金星凌日观测结果的分析,计算出了一个天文单位的值,它只比现行(现代)的值高2%。


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早在一个世纪以前,就有人使用相同的原理(视差)来观测火星,并得出另一个相当精确的天文单位的计算结果。1672年,当火星靠近地球时,乔瓦尼·卡西尼(Giovanni Cassini,在巴黎)和让·里奇(Jean Richer,在法属圭亚那)同时进行了观测,比较了火星相对于背景星星出现的位置,得出了一个天文单位的值,大概比现代的值高7%。

相关知识

金星凌日是指太阳和地球之间的行星金星像暗斑一样掠过太阳盘面,并且遮蔽一小部分太阳对地辐射的天文现象。这类天文现象可能会持续数小时。金星凌日的原理与月球造成的日食一样。虽然金星的直径几乎是月球的3.5倍,但由于它离地球更远,因此它遮蔽的太阳面积就非常小。科学家可以通过观察金星凌日估算太阳和地球之间的距离。

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