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超越哥白尼老人家的捷徑——水星觀測指南

 汐鈺文藝范 2016-04-28
2016年4月18日,,并不罕見的天象——水星東大距將在天空中上演,。屆時,假如(注意是假如)天氣良好,,日落時分來到開闊地帶向地平線最西方太陽剛剛沉沒的地方望去,,一個白色的光點將會出現(xiàn)在視野中——這就是太陽系五大肉眼可見行星中距離太陽最近的一顆,水星的身影,。每個受過義務(wù)教育的人都應(yīng)該聽說過水星的大名,,然而親眼看見過它的人恐怕百中無一,日心說的開創(chuàng)者哥白尼,,傳說一輩子都沒有見到過水星的身影,。這固然可能是個rumour,然而水星之難以觀測可見一斑,,如果大家愿意相信并不那么罕見的流星能夠給自己帶來好運,,水星的降臨更是一個人品爆發(fā)、祈求第二天電動期中不掛的絕佳機會,。為什么水星那么難以觀測?我們又該如何發(fā)揮人品,,一舉打下水星呢,?

Q1
水星為什么難以觀測?

原因比較復(fù)雜,,但最主要的就是一條,,它離太陽太近了。我們能在地面上觀測到一個天體的前提,,便是它不和太陽同時出現(xiàn)在天空中(月亮有時可以看見,,此處不論),而水星因為行進在太陽系諸行星中最里面的一條軌道上,,在地球上看來永遠出現(xiàn)在太陽周圍很近的地方,。量度天空中兩個天體之間距離的參量,是它們的角距離,,我們不妨按照下面式子的推導(dǎo),,來看一看水星和太陽之間最遠能離開多遠:


首先做一個最簡單的假設(shè):水星,、地球在圓軌道上運行,半徑為0.4個AU,,而眾所周知地,,地球的軌道半徑是1AU,按照正弦定理:

顯然,,當(dāng)?shù)厍虻囊暰€和水星軌道相切時,,最大,其值是:

當(dāng)然,,這個幾何模型實在是太粗略了,,水星的軌道并不是完美的圓形。它的軌道偏心率在太陽系八大行星中最大,,e=0.205630,,遠日點的距離有時可以大到0.47AU,粗略地按剛才的方法做一個估計我們得到的事實是,,水星的角距最大不會超過28°,。也就是說,水星在天空中與太陽形影不離,,我們只能在很少的時間里,,在落日之后的余暉中和黎明前的晨曦里模模糊糊地看到水星的身影。當(dāng)水星的角距與太陽達到最大時,,我們稱這時的水星和太陽達到了大距,。如果水星在太陽的東邊,我們就能在落日前看到它的身影,,這時的大距叫做東大距,,就如同我們即將看到的這次一樣,vice versa,。當(dāng)然,,并不是只有大距當(dāng)天水星和太陽間的角距才會達到足夠讓我們看到的地步,大距前后不長的一段時間,,我們都可以期許看到水星的身影,。這段時間有多長呢?

地球的公轉(zhuǎn)周期是一年,,水星的公轉(zhuǎn)周期是88天,。我們做一點簡單的計算得到,二者的相對角速度是

我們可以預(yù)計,,水星大距前后它的切向角速度比較小,。假如大距周圍3°都適宜觀測,我們可以得到一個簡單的三角關(guān)系:




也就是說,差不多六分之一的時間里,,我們有可能看到水星的身影,。然而上面的計算并沒有考慮一件相當(dāng)重要的事情:太陽的赤緯。上面計算出來的值僅僅是水星和太陽之間的距離,,而不是水星在日落時的高度角,。我們知道水星大概是在黃道上運動的,那么它和太陽角距20°,,也即差不多是黃道上的一個星座,。以東大距為例,太陽在白羊座時,,水星可能在金牛座,,這些星座的緯度不同,太陽落山時的地平高度當(dāng)然也不一樣,,我們當(dāng)然期望水星盡量地在太陽北邊的星座,,以便我們看到它的身影,這次的水星東大距時,,水星便差不多在白羊座的位置,,赤緯相對較高,日落時的地平高度在北京可以達到18°,,算是比較不錯的條件了,。事實上,決定水星大距期間觀測條件好壞的更重要的因素就是它與太陽間的赤緯關(guān)系,,冬至?xí)r太陽的赤緯很低,,大距的水星的赤緯總比它高,觀測條件就會比較好,,而夏至期間的太陽高度角太高,,水星大距的觀測條件相對就會較差,春天以東大距為佳,,vice versa

其實即使是這樣的高度,,觀測起來也有相當(dāng)?shù)碾y度。對角距離沒有概念的同學(xué)可以借助這樣的類比:博雅塔高30m,,100m開外,也就是花神廟處,,博雅塔的視角就是這么大,。


這個視角意味著什么?和博雅塔頂端齊暉的厚重云層,、方正星云告訴我們,,這個高度上不僅遮擋嚴重,接近地面大氣的厚度也使得消光更加劇烈,為觀測水星增添了極大的困難,。

當(dāng)然,,水星之所以難以看到,和太陽距離過近只是原因之一,,如果在那個位置上放的是一顆太陽呢(大霧)(這樣地球的軌道很可能不穩(wěn)定……),?冥王星慘遭開除之后,水星就成了太陽系行星里個頭的吊車尾,,它坑坑洼洼的表面的反照率也算不得高,,而且大距附近的水星沖著我們的并不是整個被照亮了的圓面(好比月牙),這次大距期間,,水星的星等只有1等,,再考慮到低處嚴重的消光和遮擋,看到它的難度就又增加不少了,。

同為地內(nèi)行星的金星的軌道比水星遠得多,,自身反照率也很高,居然成為了地球上可見的最亮的日月之外的天體,,可見一顆星的命運啊,,當(dāng)然要靠自我奮斗,但是也要考慮動力學(xué)的安排,。按照相同的邏輯,,我們可以外推出去,在火星看到地球尚且隨意,,到了木星軌道,,看到和太陽距離總在arcsin0.2=11.5°以內(nèi)的地球就實屬不易了,在冥王星上看跟太陽幾乎重合在一起,、亮度6等上下的地球更是不可能完成的任務(wù),,太陽系行將滅亡之際,在冥王星上打點著人類文明博物館的羅輯遠望故鄉(xiāng)卻一無所見,,長路漫浩浩,,那是最深沉而無奈的黍離之嘆

題外話還可以再提兩句,,在同一個恒星系統(tǒng)的外面觀測內(nèi)側(cè)的行星已然存在著如此多的苦難,,想在太陽系之外發(fā)現(xiàn)這樣的行星更考驗著人類的智慧。更多間接的手段紛紛派上用場,,這里不能展開,,但我們很可能會在以后理論組的活動中為大家做進一步的科普。


Q2
我該怎么觀測水星,?

離太陽近,、本身也不亮,,這就決定了水星很難被地球人容易地看到的命運。古人在沒有污染和遮擋的天空中看到水星已不容易,,今天的我們想在城市中看到水星的身影,,難度就更大了。大距期間觀測水星,,需要的是好眼力和運氣,。

        第一, 我們需要開闊的場地,。西邊不能有遮擋,,樓、山都不能存在,,這樣才能有一覽無余的視野,。

        第二,  我們需要一個好天氣(微笑),。在北京,,地平線上15°能看到在余暉中看到水星對透明度的要求是很考驗人品的,這點我們也只能祈禱,。

        第三,,  你需要一雙好眼睛。

總之,,即使在大距期間,,水星的觀測也有一定的難度。筆者到現(xiàn)在只在2011年一個冬,、天看到過水星的身影,。當(dāng)時筆者所在的城市剛剛經(jīng)歷了寒潮,透明度十分極品,,早上6點才過,,我在位于城市西郊、東邊很少遮擋的高中校園里,,在地平線以上10°左右的地方目睹了水星的風(fēng)采,,白色的光點沉浸在東方的魚肚白里,雖然沒有更多細節(jié),,卻足以讓人銘記很久,。


Q3
所以,水星好看么,?

平心而論,,不太好看。它的角直徑即使在大距時也只有幾個角分,,用一般的望遠鏡分辨固然不難,,然而卻幾乎看不出任何相位之外的細節(jié),顏色沒有特點,,既沒有金星月牙的小巧,,也沒有土星光環(huán)的玲瓏,更沒有木星云帶的豐富,,在幾大行星中的觀賞性是比較差的,。然而我們追尋她的身影,本身就是個有趣的過程,,又何必在乎最后看到的結(jié)果呢,?



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