你盯着一张太阳投影照片,边缘忽然多出一个小黑点。它不像镜头灰尘,会随着太阳自转慢慢移动,几个小时后消失。这个黑点可能是一颗行星正从太阳与地球之间穿过——一次凌日。几百年前,正是这种黑点,让人类第一次量出太阳系有多大。
一句话:凌日就是“天体从你和光源之间走过”
凌日指一个天体从观测者与另一个天体之间经过,遮住后者一小部分光。你可以把它想成厨房里有人从你和灶台灯之间走过:灯没灭,但你在墙上看到一块暗影。只有行星轨道面几乎侧对我们时,才会发生这种“擦边而过”。水星和金星会从日面前经过;月球挡住太阳通常叫日食,因为月球视直径和太阳差不多,遮得太狠。
黑点不大,信息不少
金星从太阳前面经过有个奇特节奏:一对相隔约8年,然后要等约105.5年或121.5年才出现下一对。最近一对是2004年和2012年,下一对在2117年和2125年。水星从日面前经过更常见,每世纪约13到14次。18世纪的天文学家追着金星跑遍全球,用不同地点的观测时间差推算日地距离,这是这类黑点第一次成为“尺子”。从地球看,水星经过时那颗黑点直径不到太阳视直径的百分之一;太阳若是篮球,水星黑点小得就像篮球上的一粒芝麻。
系外行星的“影子法”
当一颗行星绕到恒星前面,恒星亮度会轻微下降。下降幅度约等于(行星半径÷恒星半径)的平方。木星大小的行星绕过太阳大小的恒星,亮度约降1%;地球大小的行星只降约0.008%。开普勒望远镜能测到百万分之几十的亮度变化,相当于盯着一盏路灯,看一只飞虫掠过时灯光暗了一瞬。1999年,天文学家观测到HD 209458b的凌日,证实了这类信号可用于研究系外行星。亮度曲线给出行星半径和轨道周期,再结合径向速度给质量,就能估计密度。理论预言,透射光谱能在行星掠过恒星时“筛”出大气成分;哈勃和韦布对部分行星已取得光谱,但恒星黑子和活动也能制造类似信号,部分大气成分的解释目前尚无定论,需要更多观测确认。
为什么一个黑点值得等
凌日把看不见的行星变成可测量的影子,也把遥远的太阳系尺度变成可计算的几何题。它不靠“看见”行星,而靠行星挡住的那一点点光。下次水星再爬过太阳时,别用裸眼直视,必须用合格滤光设备或投影法观测。那个黑点只是巧合,还是宇宙给观测者留下的一把尺子?
延伸阅读
- Joshua N. Winn,《The Little Book of Exoplanets》,Princeton University Press,2023。
- 纪录片《宇宙时空之旅:未知世界》(Cosmos: Possible Worlds,2020)。
- NASA Exoplanet Exploration 网站:exoplanets.nasa.gov。