本文发表在《大众科学》的前博客网络中，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
几个小时后，拥有晴朗天空的幸运观测者将能够看到金星从太阳前方经过。金星凌日很罕见——这是直到 2117 年之前的最后一次——但这并不是你寻找机会观看它的唯一原因。这一天文事件在历史上非常重要。自 17 世纪以来，天文学家利用金星凌日来更好地了解宇宙和我们在宇宙中的位置，即将到来的凌日也没有打破这个延续了几个世纪的传统。
金星凌日
在探索金星凌日在历史中的作用之前，有必要退后几步。有必要了解一下我们太阳系的几何结构，以了解为什么这个事件如此罕见。
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金星大约需要 225 天才能完成绕太阳一周的轨道，而地球大约需要 365 天。这两颗行星大约每一年半就会排列一次：金星直接位于地球和太阳之间。但我们并非每次都能看到凌日，因为金星的轨道与地球的倾斜度约为 3 度。从我们的角度来看，在这些情况下，我们看到金星在太阳附近经过，但没有穿过太阳。当地球和金星在其轨道上的倾斜度相同时，就会发生凌日。那时，我们看到这颗行星像一个小点穿过太阳，这是一个罕见得多的事件。金星凌日以八年为间隔成对出现，但成对出现的情况不到一个世纪一次。凌日之间重复的模式是八年、105.5 年、八年和 120.5 年。
但天文学家并非总是知道凌日的时间表。事实上，他们对行星轨道的了解远不如我们现在。在凌日成为天文学家有价值的工具之前，了解天文学作为一门科学的地位也是值得的，然后再深入探讨历史上的凌日故事。
我们的立场
直到 1543 年，我们一直是宇宙的中心。亚里士多德和托勒密的宇宙模型让月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星围绕地球运行，背景则是固定的恒星。但天文学家观察到一些奇怪的现象，比如行星偶尔会在轨道上折返，这在以地球为中心的模型中无法解释。波兰天文学家尼古拉斯·哥白尼提出了一个优雅而有争议的解决方案。他让地球不再是中心，并假设所有行星（包括地球）都围绕太阳运行。在这种模型中，天文学家看到的奇怪的行星运动可以归因于他们的轨道视角。哥白尼在他去世的那一年，也就是 1543 年，出版了他的《天体运行论》。虽然他没有看到，但他将宇宙世界观改为以太阳为中心的体系。
德国天文学家约翰内斯·开普勒以哥白尼的日心模型为基础。哥白尼保留了行星以完美的圆圈围绕太阳运行的古老观念，但观测结果再次与该模型不一致。开普勒发现行星实际上是围绕太阳作椭圆轨道运行的，他通过使用他的模型准确预测了 1631 年 11 月 7 日的水星凌日来证明了这一理论。1627 年，他还预测了 1631 年的金星凌日。
1631 年的金星凌日在欧洲不可见，而 1630 年去世的开普勒未能看到这次凌日的成对出现。他预测 1761 年会出现金星凌日，1639 年会出现接近凌日的现象。他错了，英国天文学家杰里迈亚·霍罗克斯发现了这个错误，并使用开普勒调整后的计算来预测 1639 年的事件。在那年 12 月 4 日下午三点一刻左右，他成为历史上第一批观测到金星凌日的人之一。他通过望远镜将太阳投射到一张纸上。他的朋友威廉·克拉布特里也观看了这一事件。霍罗克斯利用他的观测结果猜测了金星的大小，并将数据与克拉布特里进行了比较，以估计地球与太阳之间的距离。
从地球到太阳
17 世纪的天文学家没有掌握地球和太阳之间的实际距离。到 17 世纪 60 年代，哥白尼的日心模型已被广泛接受，并且行星的相对轨道已广为人知。缺失的部分是一个数字。一切都以毫无价值的天文单位 (AU) 来量化，其中 1 AU 是从太阳到地球的平均距离。已知金星的平均轨道距离太阳 0.7 AU，但这并不是天文学家想要的精确值。如果他们能够确定 1 AU 的值，他们就可以计算出每个行星轨道的尺寸，并且太阳系的图像（至少在当时被理解的那样）将是完整的。
著名的哈雷彗星的发现者埃德蒙·哈雷是第一位提出利用金星凌日来找到 1 AU 值的天文学家。如果两位天文学家从地球上两个相距遥远的位置观测凌日，他们就可以利用凌日时间差和他们彼此之间的已知距离来计算地球和金星之间的距离。然后，应用开普勒关于行星轨道形状的第三定律——行星的轨道周期的平方与轨道半长轴的立方成正比——他们就可以确定 1 AU 的值。
法国天文学家约瑟夫·尼古拉斯·德利斯改进了哈雷的方法。他规定，如果两位观测者知道他们在地球上的确切位置，他们只需要记录金星边缘与太阳边缘对齐的时刻即可。这就足以计算出 1 AU 的值。
利用凌日测量太阳系
哈雷于 1742 年去世，那时他距离尝试将他的方法应用于 1761 年的凌日还有 19 年。但许多天文学家接替他接受了这一挑战。欧洲探险队前往印度、东印度群岛、西伯利亚、挪威、纽芬兰和马达加斯加，以获得对该事件的最佳和最分散的观测视角。在整个全球网络中，记录了 120 多次凌日观测，但大多数观测质量较差，原因是光学问题和缺乏经验的观测者。对于 1769 年的凌日，记录了 150 多次观测，分别来自加拿大、挪威、加利福尼亚、俄罗斯，以及著名的塔希提岛，这是詹姆斯·库克船长第一次探险的一部分。但结果只是略好一些。
17 世纪的技术水平使得记录凌日开始和结束的确切时刻变得不可能，原因是所谓的黑滴效应。当金星从太阳前方经过时，一层薄雾遮住了这颗行星，使得天文学家无法进行清晰的观测。但即使是糟糕的结果也是结果。1771 年，法国天文学家杰罗姆·拉朗德结合了 1761 年和 1769 年的凌日观测，计算出 1 AU 为 9500 万英里（1.53 亿公里），上下浮动约为 50 万英里。这是一个开始，但它并不是天文学家所希望的精确值。
一个多世纪后，新一代天文学家试图利用 1874 年和 1882 年的金星凌日来改进 1 AU 的值。这一次，不仅仅是当时的超级天文强国法国和英国为这一事件组织了探险队。奥地利、比利时、巴西、丹麦、德国、意大利、墨西哥、荷兰、葡萄牙、俄罗斯和美国都加入了这一国际努力，尽管它远不是我们今天在国际合作中看到的那种有组织的活动。
一种新技术也为 19 世纪的这组凌日事件准备就绪：摄影。大多数天文学家认为他们的摄影记录不够好，无法提供准确的测量结果。只有美国天文学家认为他们在 1874 年凌日期间拍摄的 200 张照片足够有希望，可以在 1882 年再次尝试。
1882 年的凌日在美国可见，美国海军天文台制作了近 1400 张照片。虽然这是一个引人注目的记录，但这些以及从世界各地其他地点收集的其他图像并没有对 1 AU 的既有值起到完善作用。美国天文学家威廉·哈克尼斯研究了 1874 年和 1882 年的照片，得出的 1 AU 的值为 92797000 英里（149342295 公里），上下浮动约为 59700 英里。这更好，但仍然不够准确。黑滴效应仍然存在；完美的地球观测永远无法摆脱大气层的扭曲影响。
新技术、新目标
太空时代的技术很快解决了寻找 1 AU 值的难题。来自太空探测器的无线电遥测和雷达测量得出的值为 92,955,807.273 英里（149,597,870.700 公里），上下浮动约为 100 英尺。但仅仅因为这个大问题已经得到解答，并不意味着 2004 年和 2012 年的凌日必须打破天文学家利用该事件来进一步了解我们周围宇宙的传统。这一代人只是有了一个非常不同的目标。这一对凌日不是测量我们的太阳系，而是帮助天文学家测量系外行星的大气层。
2004 年是自定量天文光谱学发明以来的第一次凌日，天文学家借此机会对金星的上层大气进行了详细的光谱测量。光谱学在 20 世纪上半叶进入天文领域，它允许天文学家确定行星大气层的化学成分。当阳光穿过金星大气层时，气体在某些已知波长处吸收光。到达地球的光线具有吸收光谱，天文学家可以读取该光谱，以精确了解该行星大气层的组成。
在 2004 年解密金星的大气层不仅仅是为了更多地了解金星。进行光谱测量是应用相同方法来确定系外行星（围绕太阳以外的恒星运行的行星）大气成分的实战演习。天文学家正在利用 2012 年的这次凌日来测试另一种研究系外行星的方法。
哈勃望远镜将使用其先进的巡天相机、第三代广域相机和空间望远镜成像光谱仪，在不同的波长下观察金星凌日，并进行光谱分析。但由于其相机过于敏感，无法直接对准太阳，哈勃望远镜将测量金星大气层反射到月球上的光线。如果哈勃望远镜能够以此方式准确读取金星的数据，它将成为天文学家确定系外行星大气成分的又一工具。如果宇宙中存在另一个地球，这可能就是找到它的方法。
在天文学的历史进程中，金星凌日塑造并赋予了我们太阳系大小的概念。现在，凌日现象正在帮助我们理解我们在宇宙中的位置，不仅是相对于其他行星和恒星，更是相对于其他可能存在的世界和生命形式。当您稍后看到一个小点从一个圆面前划过时，请记住这一看似微小事件背后的意义和丰富的历史。