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见过木土相合,为什么从没见过行星凌行星?

haibaraemily 行星事务所 2022-05-18

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/文:尞祡、haibaraemily


近几个月,如果大家傍晚看向西方的话或许会发现,有两颗很亮的星变得越来越近。这两颗星,一颗是木星,另一颗是土星。

2020年12月以来的土星和木星位置变化 | 模拟软件:Stellarium


昨天(2020年12月21日),一种叫做“木土相合”的罕见天文现象在夜空中上演。

2020年12月21日晚的木星(大的那个)和土星(小的那个) | 拍摄:papajames



 什么是“合”?这次的土木合有多近?


八大行星在天上永不休止地“跑圈”,速度又各不相同,不时出现的 “合”,就是他们错身而过的瞬间。在现代天文学定义里,“合”(conjunction)指的是从地球上看,两颗天体的黄经度数相同(也有用赤经的),这里的“天体”通常指是日月和行星。与“合”相对的,黄经差180度就是“冲”(Opposition)。

“合”和“冲”两种天象的位置示意图 | 汉化自维基


仅从“合”的定义来看,合这个状态本身和两星的距离远近并没有直接关系。但由于日月和行星基本都在黄道面附近(也就是黄纬不会相差很大),所以它们在相合的时候通常也会看起来比较近。这次的木土相合,两星的角距离只有约6角分。


6角分是个什么概念呢?


满月的直径大概30角分,天上最著名的双星——北斗七星中的开阳和辅星,相距也有11角分。

北斗七星中开阳和辅星双星间的角距。古代钦天监招募夜观天象的真·人肉观星机,就曾以肉眼区分开阳双星作为一项标准。


也就是说,这次的土星木星距离只有满月直径的五分之一,开阳双星距离的一半。

图 | EasyNight


总而言之,6角分这个距离是非常近的

 

虽然基本都在黄道面附近,但太阳系的八大行星并非严格共面,因此行星相合的时候经常还是有一定距离的,例如2000年的木土相合距离1°11'之多,像今年这次这么近的属实不多见。据统计,从公元前1年也就是汉哀帝元寿二年至今,两千余年的百来次土木相合之中,角距离最近的一次发生在公元372年,有1.9角分,而本次的6角分距离可跻身前五,下一次能到这么近的,就要到2080年了。

公元前1年~公元3000年间距离最近的10次木土合,在已发生的土木合里,本次土木合距离可以排第五近 | 数据来源:Patrick M. Hartigan,整理制图:One Two

 

那有没有可能二者近到“碰上”呢?当然,我们说的不是真的“碰上”,只是从地球上看去的“借位碰”。Emmm这种“借位碰”当然是有可能的,这就是另一种天象“凌”(transit),例如去年(2019年)双十一的“水星凌日”。

2020年11月11日的水星凌日位置变化图,蓝点表示水星,两点之间的位置间隔约30分钟,UTC时间12:39对应同天的北京时间20:39。来源:SDO [1]


那次水星凌日发生在我国的夜晚,因此整个凌日过程在我国境内都不可见,这个很好理解,连太阳都看不到还看个啥凌日对吧。


不过水星凌日这个例子其实是有点犯规的,太阳是太阳系最大的天体,在地球上看视直径大约30角分,当然是更加容易碰上的。不只是水星可以凌日,金星也是可以的。或许有的小伙伴还记得2004年6月和2012年6月的金星凌日,要是没看过的话还是有那么点儿可惜哦,因为下一次就是一百年后了…

2012年6月的金星凌日 | NASA [2]


当然,其他天上的东西也可以“碰”上,例如国际空间站这样的人造天体也会凌日,甚至日食也可以认为是一种广义的凌日。同理,前面讲过,满月视直径约30角分,自然月亮也更容易和其他天体“碰上”,不过月亮离地球更近,所以往往是月亮遮掩住了其他天体,也就是“月掩某星”。例如2018年1月27日的月掩毕宿五、2012年8月14日的月掩金星。

 


 行星“合”常见,行星“凌”才罕见


那么问题来了,行星的视直径都非常小,彼此之间到底有没有机会“碰上”呢?怎么感觉从来没见过呢?


这个感觉是对的:目前还活着的地球人,还真的就没有一个亲眼见过行星凌行星的。


中国古代的人很可能见过,这在史书里有记载。


对现代天文学来说,“借位碰”这种情形下,小的从大的前面穿过才叫“凌”,而大的盖上小的则叫“掩”(occultation)。但由于行星的视直径小,又比较亮,古人其实是分辨不出行星大小的,所以不管是“凌”还是“掩”,古人通常都称之为“掩(奄)”


中国科学院刘次沅先生曾在《二十四史行星掩星考证》 [3]里统计了二十四史中留下的掩星记载。据刘先生的考证,二十四史中行星掩星的记录共有88条,其中行星掩行星的记录共11条——注意,这88条里面,不只是行星掩行星,还有行星掩恒星的。

 

不过,想要知道其中有多少条是行星掩行星的记录,我们不仅要把行星掩恒星的记录去掉,还要甄别有些古人传抄时候搞出来的错别字。例如《宋史》里这条记录说:

咸平三年四月癸亥,辰星掩太白。

辰星是水星,太白是金星,咸平是宋真宗赵恒的年号,咸平三年大概是公元1000年。但这一年,没有发生过水星“掩”金星。仔细查看,这条记录在《宋史》中的分类竟然是“五纬相犯”,这个分类记录的是金木水火土这五大行星之间发生的“犯”这种天象。这“犯”又是什么呢,是指两颗星“光芒相及”好像相互侵犯的样子,但并没有“碰上”。从前后文看,这条“辰星掩太白“是把”犯“错写成了”掩“。


值得一提的是,前面说的“两千年来距离最近的那次”的土星合木星,史书上的记载是:

(晋)简文(帝)咸安二年正月己酉,岁星犯填星。

这里的岁星和填星就是木星、土星的古称。考虑到距离只有1.9角分,看来当时那位天文官员眼神儿真不错


还有一些记录经过计算发现确实有问题,但我们并不清楚古人到底是怎么搞错的。唐至德二年、以及清康熙二十一年的两条行星掩行星记录,按照如今的星历数据推算,两星角距分别高达1.2度和15角分,显然不可能是“掩”,而应该是“犯”。这两个度数在天体观测中属于比较大的角度,很难用“古人看错了”解释,因此很可能也是笔误。


这样层层筛选下来,可靠的行星掩行星记录只有9条

但这些确实是掩星或者说凌星事件吗?现在来看,还不一定。


实际上,古代的掩星记录比现代天文推算出的掩星事件条件要宽泛很多。按现代的标准,凌需要两颗星的圆面真的有接触,但古人其实无法准确判断这一点。毕竟古人没有天文望远镜,而肉眼观测的理论分辨极限只有1角分。也就是说,两颗星的角距在1角分之内的话,即便二者没有“碰上“,肉眼也基本分辨不出来了。甚至距离更远一些的,比如这次土星合木星,眼神不好的人可能会觉得就是“凌”了,但实际并没有遮掩的过程,是不能算数的。


刘次沅先生及其合作者用NASA喷气动力实验室(JPL)的DE102星历对这些记录逐一进行了推算考证。

二十四史中的11处行星掩行星记录,两条灰色的记录明显应当是“犯”而不是“掩”,应排除,所以实际共9条。值得一提的是,从现代天文学的角度看来,木星掩火星其实是不可能的(因为木星比火星还要远),但由于中国古代似乎并不知道木星和火星的远近,所以也分不清楚当两颗星角距很近的时候是谁掩了谁 | 整理自:[3]


结果非常的amazing啊,按照如今的星历数据反推,似乎只有《金史·天文志》中的一条记录确实属于行星掩行星:

(大定十年)八月戊申朔,木星掩荧惑,在参毕间。

这是发生在1170年9月12日的木星掩火星天象。按当代天文学的说法应该是火星凌木星,火星是在木星的前面的。


对,9条记录中有8条可能都不是


为什么说“可能”呢?


因为用如今的星历推算的过往“掩/凌”星事件也是存在误差的,随着轨道误差的累积,距我们越遥远的天文事件,推算的误差就越大。


也就是说,古人记载的是真的“掩/凌”星,但我们用现代星历反推出来的结果因为误差太大体现不出来了,这种可能性也是不小的。


但反过来,仅仅因为古代观测的标准更“宽松”,就说实际发生过的行星掩/凌行星事件比中国古代记载的少很多也是不妥的。


因为并不是所有实际发生过的凌星事件,都会被观测到。像是去年的水星凌日,在美国可以看到,中国因为处于夜晚而无法看到。如果这事发生在没有网络的古代,中国的天文官员自然也就无从记录,那么漏记就是不可避免的。



 下次“行星凌行星”,我还有机会吗?


通过现代星历的推算,我们可以粗略推算出上下2000年里发生过的行星凌行星事件。

公元1-4000年里发生的行星凌行星事件。不同颜色代表不同行星(灰橙红绿黄青蓝=水金火木土天海),上下分别表示掩(凌)和被掩(被凌)。来源:Occultation软件计算,EasyNight绘制 [4]。CC BY-NC-ND 3.0


从公元1-4000年,从地球的视角来看,一共会发生116次行星掩/凌行星事件。


距离我们最近的一次是1818年1月3日的金星掩木星,甭管那时候有没有人看到过,ta肯定活不到现在


下一次行星掩/凌行星将会发生在2065年11月22日,依然是金星凌木星。


亲爱的观众朋友们,锻炼身体,都有希望!



 拓展阅读

伽利略之前,有人发现过木星卫星吗?



 参考资料        


[1] http://sdoisgo.blogspot.com/2019/10/mercury-transit-november-11-2019.html

[2] https://solarsystem.nasa.gov/resources/389/venus-transit-across-the-sun-2014/

[3] 刘次沅, & 赛德曼. (1988). 二十四史行星掩星考证. 自然科学史研究, (2), 128-134.

[4] https://weibo.com/5456131713/GoD8uB60Q




关于作者


尞祡(音liáo chái),古天文历法爱好者


灰原哀博士(haibaraemily),从事行星科学研究,本公众号主页君。更多精彩,欢迎关注公众号~

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