本文出席百家号#科学了不起#天文航天系列征文赛。
1769年,当金星经过太阳时,天文学家估算出了地日距离。这么,究竟是怎样估算下来的呢?
图解:两组接触时刻的合照。右侧质量较差的相片中可以见到黑滴现象。
1769年,开普勒行星运动定理和牛顿万有引力定理早已被提出而且证明有效。每颗行星的轨道周期早已被检测过,而且还没有检测过其绝对距离。开普勒第三定理(当然就是牛顿万有引力定理的一种特殊方式)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。
图解:凌日法是测量太阳系外行星的方式,图的下边演示随着时间的推移,前往月球的光度是怎样变化的。
比如,开普勒第三定理告诉我们,假如金星的轨道周期是0.62年(月球年),这么,它到太阳的平均距离为地日距离的72%。天文学家晓得了每颗行星与太阳间的相对距离,而且她们不晓得怎样用这种距离与月球的厚度单位(如英里)或则月球的大小作比较。既然行星的轨道周期早已晓得了,这么晓得其任何一个绝对距离就可以估算出所有其他行星的距离。所以,假若我们晓得了地日距离,这么我们也就晓得了金星的轨道大小以及它的联通速率。因而,所有线索都与一个数字有关:地日距离。
其余部份则由天文学家所说的视差决定。
想像一下,你和一个同学站在街道一边,并且相隔甚远。同学在你的左边,但是大家两个人都盯住街道旁边的同一根路灯柱看。一辆车辆从你的左侧开过来,这辆车先穿过了你的视线,之后过了一会儿才穿过你同学的视线,对吗?由于你的同事在从另外一个角度看路灯柱。
图解:虽然有所谓的黑滴效应使金星凌日的检测十分困难,但这些罕见的现象金星凌日,长久以来仍是检测天文单位的最佳方式。
假如你晓得你和同事之间的距离、汽车的速率以及车辆穿过大家视线的时间差,这么可以按照几何学估算出大家和路灯柱之间的距离。
以这种推,你和你的同事在两个不同的天文台(月球上相隔很远的地方)盯住太阳,等待金星凌日。大家各自看见金星凌日的时间将会略有不同,更重要的是,大家看见金星穿过太阳表面的路径也会稍有不同,此时记录下这次观察凌日大家之间的略微差别。按照这种检测和一些三角学知识,可以估算出到太阳的绝对距离。1771年,西班牙天文学家杰罗姆·拉兰德()依据对1761和1769年金星凌日观测结果的剖析,估算出了一个天文单位的值,它只比现行(现代)的值高2%。
图解:天文的距离单位秒差别是使用天文单位做基线,视差是角度1弧秒的距离。图中的1AU和1pc为根据比列。
早在一个世纪曾经,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估算结果。1672年金星凌日,当火星紧靠月球时,乔瓦尼·卡西尼(,在伦敦)和让·里奇(Jean,在法属西非)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,大约比现代的值高7%。