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1769年金星凌日觀測 (大溪地島)

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大溪地島上的金星堡壘

1769年6月3日，英國航海家詹姆斯·庫克、自然學家約瑟夫·班克斯、天文學家查爾斯·格林以及瑞典自然學家丹尼爾·索蘭德在庫克首次環球航行（英語：First voyage of James Cook）途中於大溪地島對於該年發生的金星凌日進行了觀測。[1]在凌日過程中，對於地球上的觀測者來說，金星會像一個小黑點一樣穿過太陽。這種不甚常見的天文現象會以243年為一個周期循環往復。一個周期內會包含兩次相隔8年的金星凌日。而二者與前一次以及後一次金星凌日的間隔期分別為121.5年以及105.5年。[2]這些人及其手下的一批科學家是受英國皇家學會的委託來觀測金星凌日的。他們的發現不僅具備科學意義，更令後世能夠在航海途中更為精確地計算確定所在經度。在那個時代，經度非常難以精確確定。[2]這批科學家除了觀測金星凌日之外，還有一項秘密使命，就是去勘探南太平洋海域，以發現「未知的南方大陸」。[3]

背景

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1663年，蘇格蘭數學家詹姆斯·格雷果里提出了利用金星或水星的凌日現象通過測定地球表面不同地點的視差來確定天文單位的方法。[4]在1716年的一期《自然科學會報》中，愛德蒙·哈雷對于格雷果里的理論做了更為詳盡的闡釋，並進一步提出人們可以通過它確定地日距離。在報告中，出於對人類視角（cone of visibility）的考量，哈雷推薦了幾處凌日觀測地，包括哈德孫灣、挪威以及摩鹿加群島。[5]不過，哈雷在最為臨近的兩次金星凌日，即1761年與1769年的金星凌日，發生近20年之前即撒手人寰。[6]

1761年的金星凌日觀測是由來自九國的120餘位觀測者共同完成的。[6]由於糟糕的天氣狀況，托馬斯·霍恩斯比（英語：Thomas Hornsby）並沒有能夠成功觀測。1766年，他提醒皇家學會積極準備1769年的觀測。[7]在霍恩斯比1766年發表於《自然科學會報》的一份報告中，他與哈雷一樣提出由於視角所限，應擇定更好的觀測地。[7]皇家學會許下了英國「不會遜於古今任何一個國家」的諾言，並積極準備下一次的嘗試。[8]

在選定觀測凌日地點時，皇家學會基本遵照了哈雷1716年提出的建議。委員會推薦了三個觀測點：挪威的北角，位於加拿大哈德孫灣的丘吉爾堡（英語：Churchill, Manitoba）以及南太平洋的某處適合的島嶼。他們宣佈將向三處各派出兩支觀測隊。英王喬治三世批准了這一計劃並要求海軍提供船隻。他向學會劃撥了4000英鎊以應對這一計劃的開支。[8]

觀測地、船隻與領隊的選定

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1767年6月，英國航海家塞繆爾·沃利斯（英語：Samuel Wallis）完成了歐洲人對於大溪地的首次勘測。這為皇家學會提供了一處觀測金星凌日的理想地點。大溪地島是當時為數不多的幾處能夠確定緯度的南太平洋島嶼之一。海軍方面對於應在南太平洋何處觀測金星凌日並不太感興趣。他們的興趣所在是去尋找未知的南方大陸。[9]他們向前往大溪地的天文學家及其他科學家提供了奮進號，並委任詹姆斯·庫克作為領隊帶領船隊。[10]庫克是當時領隊的不二之選。他具備高超的航海技能，並且還是位稱職的天文學家。他曾於1766年在紐芬蘭觀測了該年的日食。[11][12]

觀測準備

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在奮進號抵達大溪地後，庫克船長旋即決定在海岸上搭建天文台。他需要一個比船穩定且能夠提供充足工作空間的觀測平台。他將觀測地點選在馬塔瓦伊灣（英語：Matavai Bay）東北端的一處沙洲，並將其命名為金星岬（英語：Point Venus）。[13]他們在抵達兩天後開始搭建金星堡壘。他們首先劃定堡壘的邊界，然後在鄰接海灣的三個邊上構築土木工事，並在上面搭上木柵欄。然後他們用從船上運下的木桶，灌入濕的沙子進一步加固工事。堡壘的東側面對河流。他們還裝上了從船上卸下的大炮，並搭了一個大門。在堡壘內，總共有54個帳篷來安置船員、科學家與官員，以及用作觀測站、工具作坊或廚房。[14]庫克還派了一支由扎卡里·希克斯（英語：Zachary Hickes）率領的人馬在島東岸另再搭建觀測站。此時，另一支由約翰·戈爾（英語：John Gore (Royal Navy captain)）領隊的人數上要多出38人的科考隊則在鄰近的埃米奧島（Eimeo）安營紮寨。兩支隊伍都輕裝簡從。[10]

觀測過程

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庫克船長所用的移動觀測站

觀測者要去觀測金星經過太陽的四個階段：第一個階段，金星開始接觸太陽的邊緣；第二個階段，金星完全進入太陽範圍內，但仍與太陽的邊緣相切；第三個階段，金星仍在太陽內，但已與另一側邊緣內切；第四個階段，金星運行到太陽以外，但仍與邊緣外切。[2]

觀測當天氣象條件良好。庫克、格林以及索蘭德分別進行獨立的觀測。[1]由於下次金星凌日要等到1874年，因而觀測結果的準確性就顯得尤為重要。[15]

庫克在他的日誌中是這樣記載當天的觀測的：

我們原本以為這一天能夠得償所願：整天萬里無雲，天朗氣清，我們都能去觀測金星經過日輪的全過程：我們（卻）看到星體周圍有明顯的陰影，這對於（四個）接觸時刻的記錄造成相當大的干擾，特別是兩個內切時刻。索蘭德博士、格林先生以及本人都觀察到了。我們所記錄的接觸時刻之間的誤差超出了預定的範圍。格林先生的望遠鏡與我的放大能力相同，博士的則比我們的強一些。[16]

由於「黑滴現象」，他們都沒能準確地記錄四個階段發生的時刻。人們原本認為這一效應是由金星稠密的大氣造成的，但這一原因造成的模糊的範圍並不會像黑滴現象中那樣大。近來的研究顯示這一效應其實是由地球大氣中的湍流導致的拖尾現象。[17]

觀測結果

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庫克船長以及查爾斯·格林所作的1769年金星凌日觀測圖。它們展示了黑滴現象。另請注意圖像之間的不同之處。

皇家學會對於庫克一行人的觀測結果非常失望。他們沒能準確記錄四個階段發生時刻，而他們的觀測結果也各不相同。他們後來發現其他地方的觀測者也發生了相似的事情。這些觀測者也都發現金星周圍有類似黑滴的東西導致不能準確記錄金星進入以及準備離開太陽的時刻。[2]

皇家學會後來決定將觀測失敗歸咎於在歸途中離世的格林。庫克在皇家學會官方報告中對其的指責非常尖銳。格林沒能自行展示數據或為自己辯護。[2]

科學界

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哈雷在其1716年的文章中呼籲觀測者們在世界不同位置來觀測金星凌日。科學界對其的回應非常熱烈。1761年，全世界有至少120位觀測者在62個觀測站對金星凌日進行了觀測，這其中不僅有歐洲的觀測站，還有位於加爾各答、托博爾斯克、好望角以及紐芬蘭的聖約翰斯的觀測站。[18]1769年的觀測也是一次巨大的國際合作。[19]儘管英法兩國正在七年戰爭中交戰正酣，英國海軍還是保證了法國天文學家亞歷山大·居伊·潘格雷（英語：Alexandre Guy Pingré）的安全。[20]法國政府也在庫克前往大溪地的途中，命令其所屬軍艦不要去傷害奮進號，因為她正「為全人類的事業而出海航行」。[2]金星凌日的觀測體現了18世紀科學界的團結。[2]

然而，英法的這一協議是在著名的天文學家查爾斯·梅森（英語：Charles Mason）與傑雷米亞·狄克遜（英語：Jeremiah Dixon）前往蘇門答臘觀測1761年金星凌日受到法國襲擾後通過的。

與現代觀測值的比較

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在1771年12月發佈的《自然科學會報》中，霍恩斯比報告了他利用1769年觀測到的視差值所計算出的地日平均距離，93726900 英里。這個結果與現代利用雷達得到的觀測值，92,955,000英里（149,597,000公里），只差約0.8%。考慮到當時的觀測條件，這個結果可以說是相當精確的。[19]

腳註

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  1. ^ 1.0 1.1 Rienits & Rienits 1976，第39頁.
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Herdendorf 1986.
  3. ^ Rienits & Rienits 1976，第28頁.
  4. ^ Teets 2003，第335–348頁.
  5. ^ Halley 1716.
  6. ^ 6.0 6.1 Rice 2008.
  7. ^ 7.0 7.1 Williams 2004.
  8. ^ 8.0 8.1 Rienits & Rienits 1976，第24頁.
  9. ^ MacLean 1974，第37頁.
  10. ^ 10.0 10.1 Rienits & Rienits 1976，第25頁.
  11. ^ NASA.
  12. ^ Cook & Bevis 1767.
  13. ^ MacLean 1974，第54頁.
  14. ^ MacLean 1974，第55頁.
  15. ^ Teets 2003，第335頁.
  16. ^ Beaglehole 1999.
  17. ^ Pasachoff et al. 2004，第6頁.
  18. ^ Teets 2003，第338頁.
  19. ^ 19.0 19.1 Teets 2003，第347頁.
  20. ^ Crosland 2005.

參考文獻

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