诗词与天文 （2）金星

边锋1

作为天上除了太阳与月亮以外最亮的天体，金星在古诗词中出现的次数自然也是多如牛毛。比如李商隐的“金星压芒角，银汉转波澜”，杨万里的“银浦寒无浪，金星澹不芒”；又如李白的“孤月沧浪河汉清，北斗错落长庚明”，苏轼的“耿耿如缺月，独与长庚晨”，陆游的“明月长庚天欲晓，新桐清露暑犹微”；又如黄庭坚的“启明动钟鼓，睡著初不觉”，刘禹锡的“中庭望启明，促促事晨征”……
金星在古代又称太白、启明、长庚等。为啥呢？金星位于地球内侧，地球上看它不会离开太阳超过47度，而地球的自转速度为15度/小时，所以金星只能在日出之前或日落之后可见，且在地平线以上可见的时间最多只有3小时。若金星出现在日落之后的西方，则称“长庚”，说明夜晚要到了；若于清晨出现在东方，则称“启明”，说明天快亮了。所以我们经常在诗词里看到金星与晨、晓联系在一起。
上一篇提到，我们可以利用月亮追寻事件发生的时间，其实，利用文学中的天象描写来验证事件发生时间已经是研究古代事件的常用之道。比如“金星压芒角，银汉转波澜”这句。它出自李商隐的《谢往桂林至彤庭窃咏》，全诗如下：
辰象森罗正，钩陈翊卫宽。鱼龙排百戏，剑珮俨千官。城禁将开晚， 宫深欲曙难。月轮移枍诣，仙路下阑干。共贺高禖应，将陈寿酒欢。金星压芒角，银汉转波澜。王母来空阔，羲和上屈盘。凤凰传诏旨，獬豸冠朝端。造化中台座，威风大将坛。甘泉犹望幸，早晚冠呼韩。
《天象模拟在古代文学研究中的运用—以 Stellarium软件为例》一文利用Stellarium（星空模拟软件）结合诗中的意象进行了详细推敲，认为诗中的诸多意象并非李义山在用典，而是实际的星空绘写。例如，“钩陈翊卫宽”写的是正北方紫微垣的勾陈诸星；“月轮移枍诣”则指月亮已经移动到西面宫殿屋檐附近，快落至地平线；“仙路下阑干”对应辇道、天津诸宿；“金星压芒角，银汉转波澜”说明金星和银河也都清晰可见。
李商隐作此诗时为郑亚的幕僚，郑亚被任命为桂管观察使 (桂州总管府的行政长官)，而李商隐随同入朝辞谢。据记载，郑亚受职在大中元年二月初一日丁卯（847年2月19日），启程在三月初七日 （847年3月27日），而通过Stellarium的模拟，此时段的星空图景与诗中描写完全一致。见下图。



图来自《天象模拟在古代文学研究中的运用—以 Stellarium软件为例》

金星与月亮一样，有盈缺的位相变化。但由于距离太远，肉眼难以看清。1609年，伽利略利用望远镜发现了金星的盈亏变化，颠覆了托勒密地心说。简单地说，在地心说里，月亮、水星、金星、太阳、火星等从内向外，皆绕地球而转。金星反射太阳光而发光，由于观测上金星与太阳在天空中的位置很接近，按照地心说中金星和太阳的位置，在地球上看到的金星应该类似新月或弦月，但伽利略观测发现，金星有完整的盈亏变化，这是无法用地心说解释的。
金星的自转比地球慢得多，一个金星日相当于243个地球日，而且金星的自转与公转反向的，与其它行星相比实属异数。你知道金星的自转速度和自转方向是如何测量的呢？金星表面覆盖着厚厚的云层，而且云层本身瞬息万变，这意味着我们无法通过监测天体表面特征的方法来测量自转速度。直到雷达技术的出现！我们向金星发出射电脉冲，如果金星不自转，接收到的返回脉冲形状与原来一致；如果金星自转，由于一部分在转向我们，另一部分在远离我们，根据多普勒效应，不同区域返回的脉冲会发生频率的蓝移或红移，导致脉冲形状发生变化——展宽了。通过测量展宽的多少，我们就能测出自转速度。
至于自转方向，则可以简单观测几个已知金星表面区域的回波，通过比较彼此的差异就可以推知自转方向（如下图）。



来自《今日天文》

如果雷达分辨率很低，无法分辨金星表面，则可以利用长时间观测来研究谱线展宽的变化。金星回波的展宽其实来自两部分，金星本身的自转和金星相对于地球运动造成的视自转（观测需要一定的时间积分）。如果二者一致，那么金星离地球最近（地球、金星、太阳处在同一条直线）时，展宽最大（靠近和远离的部分的速度都极大）；如果二者反向，那么二者距离最近时，回波展宽最小。实测得到极小值（如下图），从而得出金星是反向自转。这些都已经是上世纪60年代的工作。



来自Carpenter（1966）

还有一点，我们知道开普勒第三定律给出了行星轨道周期和半长轴之间的关系，周期用年表示，半长轴则是地球到太阳的距离，AU。这个距离可以作为其它恒星到太阳距离的一个标准。那么日地之间的绝对距离呢？金星作为我们的近邻，在测定绝对距离方面具有重要的作用。
现在我们当然可以使用雷达测距，那么在没有雷达之前，人们使用的是三角视差。可以利用金星凌日时，在地球南北的不同地点，观测金星在日面上的凌日线。首先，我们根据开普勒第三定律知道了我们与金星距离（r2）和金星与太阳距离（r1）的比值；然后根据地球南北两点的距离（AB）和这个比值，算出日面两条凌日线之间（A‘B’）的距离；根据这个距离和其相对于日面直径的比例，就能算出日面直径的绝对大小D；再测量太阳相对于我们的视直径 \theta ，就能算出日地的绝对距离 d=D/\theta 。


金星是地球的姐妹，但二者境况却有天壤之别。金星有着浓郁的大气，超过96%都是二氧化碳，表面温度达到460度。曾经的金星可能存在海洋，但失控的温室效应导致被全部蒸发成为水蒸气，而水蒸气进一步加强温室效应。高温使得水蒸气进入进行的高层大气，被太阳的紫外辐射分解为氢气和氧气，氢逃入星际空间，而氧又与其它成分结合，导致金星永远失去了水。那么问题来了，金星会是地球的未来么？