本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
你是否已经厌倦了阅读今年关于金星凌日的文章？是的？我也是。但事实是，当天体在我们和其他物体（如恒星的耀眼光芒）之间移动时，可以学到非常多的东西。我不会在这里深入探讨金星凌日的乐趣，因为关于历史观测和今年的观测已经有很多文章（为了上帝的缘故，不要直视太阳），除了说如果您好奇，这里列出了一些过去、现在和未来的金星凌日（感谢NASA）。
金星凌日：1601-2400
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日期 世界时 分离角
时间（太阳和金星）
1631年12月07日 05:19 940"
1639年12月04日 18:25 522"
1761年06月06日 05:19 573"
1769年06月03日 22:25 608"
1874年12月09日 04:05 832"
1882年12月06日 17:06 634"
2004年06月08日 08:19 627"
2012年06月06日 01:28 553"
2117年12月11日 02:48 724"
2125年12月08日 16:01 733"
2247年06月11日 11:30 693"
2255年06月09日 04:36 492"
2360年12月13日 01:40 628"
2368年12月10日 14:43 835"
您会注意到表中的几件事。首先，正如广泛承诺的那样，即将到来的6月5日/6日的凌日确实是地球居民在2117年12月11日之前的最后一次，所以如果您想再次看到它，请继续服用那些抗氧化剂。接下来是第3列中列出的太阳-金星视觉分离角，这些以角秒（精确地为度的1/3600）为单位测量，指的是太阳盘中心与金星最接近该中心的点之间的距离。它们都不是零（这将表明凌日穿过太阳中心），那是因为金星和地球都不是在与其赤道完全相同的平面内绕太阳运行。事实上，我们相对幸运，2012年6月的这次凌日是可能发生的更近的凌日之一。现在，如果您非常敏锐，或者只是纯粹的强迫症，您还会看到凌日复发的间隔遵循一种模式 - 它们总是大约相隔8年、121年或105年。因此，好运似乎确实与我们同在，这是自望远镜发明以来仅第六次凌日，并且仅在上次凌日之后8年就发生了。
尽管这很漂亮，但今天真正令人兴奋的凌日方面来自于对系外行星的研究。 例如，NASA的太空望远镜开普勒旨在发现数千光年之外的行星凌日恒星时发生的微小日食。 使用这项技术，它揭示了超过 2,300 颗优秀的系外行星候选者 - 帮助我们改变了我们对银河系中系外行星丰富程度的理解。 这些凌日是机会几何对准的结果，行星轨道越小，恒星越大，这种对准的可能性就越大，但真正的宝藏来自于每次凌日事件的细节 - 所谓的“光变曲线”，它追踪恒星亮度随时间的变化。 这段精彩的动画（NASA，开普勒）显示了光变曲线（稍等片刻），一颗气态巨行星绕其母星运行并发生凌日。
为了不让它看起来太容易，请注意，光线下降的幅度被大大夸大了。一颗木星大小的行星和一颗类太阳恒星将导致大约 1% 的凌日下降，而一颗地球大小的行星仅产生 0.008% 的下降。 尽管如此，如果开普勒这样的仪器检测到足够多的凌日事件以构建统计“包络”，将所有数据加在一起，它就可以达到这种精度水平。 您还会在动画中注意到，巨行星自身反射的光线有一个暗示，甚至当行星被恒星遮蔽时也会有一个小小的下降。 如此精细的细节确实可以看到，例如，在开普勒对巨行星 HAT-P-7 的测量中。
这些光变曲线中包含了很多信息。 凌日曲线的圆形形状是恒星盘表面亮度变化的结果（由于恒星外层大气的雾状不透明度，边缘较暗）。 它们的深度直接衡量行星和恒星的相对大小，它们的宽度受穿过恒星盘的路径（与金星一样，通常不是穿过赤道）、该盘的大小和轨道速度的控制。 如果存在行星环或卫星，这些也可能在光变曲线的形状和时间安排中显示为精细的细节。
掌握系外行星的物理直径意义重大 - 有了这一点，以及对其质量的估计（来自使用光谱数据测量其对恒星的引力），我们就可以开始评估另一个世界的实际内部成分。 我在不久前为开普勒-22b 案例详细讨论了这一点。
但这只是冰山一角。 巧妙地利用凌日，天文学家现在不仅能够绘制出许多巨行星和一些不太巨大的行星的大气温度图，而且还能探测到它们的一些大气成分。 在凌日期间，星光穿过行星大气层部分透明的外层。 大气层中的原子和分子会在光谱中留下印记，有选择地在非常特定的波长处吸收光子。 结果呢？ 我们现在已经看到钠、氧、碳、甲烷，甚至水等化合物潜伏在少数大型系外行星的高海拔区域。 最终，这项技术可能会产生对地球大小行星大气成分的首次测量，詹姆斯·韦伯太空望远镜可能能够对几个附近的系统做到这一点。
在我们取得这一突破之前，还有另一种极其巧妙地利用凌日的方法，揭示了系外行星系统的一些真正出乎意料的特性。 这有点技术性，但 Rossiter-McLaughlin 效应可以追溯到 20 世纪 20 年代，通过其在食双星中的应用。 对于行星凌日，其思想是这样的：恒星旋转，因此我们从恒星收集的光是来自恒星旋转远离我们的一侧（这会将它们红移到更长的波长）的光子，以及来自恒星旋转朝向我们的一侧（蓝移到更短的波长）的光子的混合物。 因此，由于这个原因，任何特定的光谱特征都会被涂抹或展宽 - 我们总是看到这种光子混合物。
但是，如果一颗凌日行星现在横穿恒星盘，它有时会阻挡更多的红移光子，有时会阻挡更多的蓝移光子 - 这取决于它在天空中的路径。 这里的两张幻灯片来自我在哥伦比亚大学教授的一门课程，总结了这种光线不同程度的阻挡的影响。
简而言之，如果您在凌日同时测量星光的光谱，您会发现它会变红和变蓝，并且非常依赖于凌日行星所采取路径的实际几何形状。 它可能看起来像是行星引力引起的恒星速度摆动本身有些倾斜。
真正美妙之处在于，我们现在有一种方法来测量行星轨道相对于恒星自转轴的方向。 当您考虑到除了来自恒星的光线之外，我们什么也看不到，恒星只是天空中一个微小的点，能够将另一个太阳系的轨道结构剖析到如此精细的程度，简直令人惊叹。
我们发现了什么？ 嗯，这些行星中的许多行星都在与恒星赤道紧密对齐的平面内运行，并且方向与恒星自转方向相同，就像我们自己的太阳系一样。 但有些不是； 一些疯狂、愚蠢、意想不到的世界实际上完全在相反的方向上运行！ 事实上，多达 20% 的近距离轨道、热木星型行星处于逆行轨道。
这意义重大。 共识观点是，所有从围绕年轻恒星的气体和尘埃盘中形成的行星最初都应该以与整个系统旋转相同的方向运行。 这意味着在某些情况下正在发生一些奇怪的事情，将这些世界抛入基本上“翻转”成逆行状态的轨道。
对于行星轨道结构的性质来说，这是一个引人入胜且出乎意料的转折，它揭示了许多物体历史中存在很大程度的动力学不稳定性和变化。 因此，如果您有幸在有生之年赶上最后一次金星凌日，请记住这仅仅是开始 - 凌日可以揭示行星的大小、环、卫星、成分、温度、大气成分、轨道排列，并且很可能在我们再次看到金星掠过太阳表面之前给我们带来更多惊喜。