2018年12月28日

從火星衝到金星凌日—天體間的連線奧秘

Easy天文地科小站/一群熱愛天文地科的學生組成的科普團隊。

什麼是「衝」
還記得去(2018)年7月時,每當入夜,南方空中就會出現一顆又紅又亮的星,它的作息時間大約與太陽相反,在太陽剛升起不久便落下、日落時卻升起,它就是本篇的主角──火星。大家可能會想,這個之前不怎麼顯眼的天體,那段日子怎麼變得如此之亮?這就是「衝(opposition)」的魔力。

「衝」是一個天文現象,是指當外行星、地球和太陽幾乎連成一線時,因為外行星被照亮的那一面可以完全被地球看見,所以看起來特別大、特別亮。火星繞太陽公轉的週期約為地球的2倍再少一點,所以當地球繞太陽2圈又多一點時,就能再次追上火星。這個「2圈多一點」,準確來說約為26個月,換言之,大約每隔26個月,就能觀賞到一次火星衝。

火星衝26個月的週期似乎不是很長,與動輒數十甚至上百年的彗星回歸、金星凌日相比,似乎毫不稀奇。不過各位也許聽說過,行星繞行太陽的軌道是橢圓形而非正圓形,而太陽也不是位在這個橢圓的中心,而是在稍微有所偏離的「焦點」上,這造成行星在環繞太陽運行的過程中,有時離太陽比較近,有時則比較遠,我們把離太陽最近的那個點稱為「近日點」,最遠的點則稱為「遠日點」。

橢圓形的軌道會造成什麼結果呢?答案是:每次衝都會不太一樣。如果太陽與位在軌道上不同位置的地球與火星連成一直線,那地球和火星之間的距離也會有所不同。如果今天衝發生在火星位於近日點時,所看到的火星就會比一般的衝更大、更亮(圖一)。這樣的現象大約15或17年循環一次,稱之為「大衝」。

圖一:火星、地球軌道分別的近日與遠日點示意圖。

衝與衝的比較
西元2010~2022年間適逢大衝,許多看過新聞的朋友們一定知道,去年7月28日凌晨本世紀最長月全食和火星衝同時上映,當晚可以看到一輪明月跟一個明亮的紅點高掛在天空,那個紅點便是火星。月全食發生時,月球因為進入地球的影子而變紅變暗,此時火星便是天空裡最明亮的天體。

吹捧了大衝這麼久,但大衝和一般的衝究竟有多大差距呢?我們來仔細分析一下。

這次火星大衝的亮度為−2.8等,而同一個周期中最暗的火星衝亮度只有−1.2等,亮度相差了4.35倍。這4.35倍的差距,讓火星一舉從普通的亮星躍升為夜空中最閃亮的星。

就面積而言,這2次火星衝距離地球分別為0.67跟0.39天文單位(A.U.),距離的改變使得這2次火星看起來的大小相差3倍以上。如果不用任何天文設備觀看,火星本來在天空中只是一個點,面積上升3倍以後……沒錯,它還是一個點,哈哈。

不過對於天文愛好者來說,3倍的面積就天差地遠了。在火星大衝時,業餘天文愛好者可以輕易地使用普通地面望遠鏡看到火星的極冠等大型地表特徵。對他們而言,火星大衝可是大展身手的好機會呢!

火星大衝的科學價值
就因為火星大衝是從地球上觀測火星的大好機會,20世紀中期以前,許多拍攝火星表面的計畫也常常在火星大衝前後執行。最著名的當屬義大利天文學家斯基亞帕雷利(Giovanni Virginio Schiaparelli)在1877年火星大衝時觀測火星,發現火星上有著如溝渠般的暗紋,並將其命名為「canali」,這個字在義大利文裡指的是水道或溝渠,但由於報導過程中發生了點小意外,因故被翻譯為運河(canal),引起人們對火星生命與文明的無限遐想,直到今天都還深深地影響著我們對火星的想像。其他的還有火星表面沙塵暴及極冠的變化等觀測,也都曾在大衝時進行。

但是,隨著太空科技的飛速發展,從20世紀中期以後,人類已經能夠讓探測器飛出地球,並在太空中航行過數億公里,而後精確的切入火星的軌道,近距離觀察這顆數千年來讓人類魂牽夢縈的紅色行星。距離近了,搭配各種精密的儀器,能夠藉由太空探測器得到的火星資訊,遠比我們身在數千萬、甚至上億公里外的地球要來得多。所以對現代的火星研究來說,除了大衝以外,「地火發射窗口(launch window to Mars)」是另一個重要的時間點。

什麼是「地火發射窗口」呢?對一個太空探測器來說,燃料是維持探測器運作至關重要的一部分。因此科學家與工程師們,總會希望能夠選擇盡量節省燃料的任務軌道,以延長探測器的使用時間。而從地球軌道前往火星軌道的所有方式中,最節省燃料的一種,是先讓太空船加速離開地球引力,進入一條近日點與地球軌道同高、遠日點與火星軌道同高的橢圓形軌道。當太空船到達遠日點時,再加速讓軌道變成圓形,這種在太空中不同軌道之間轉移的方法,被稱為霍曼轉移(Hohmann transfer)。

那還不簡單!只要在火星剛好在地球對面時進行霍曼轉移,太空船不就可以到達火星了嗎?但是別忘了,火星也一直都在繞著太陽公轉。等你的太空船到達的時候,火星早就移動到其他地方了!因此,科學家與工程師們必須像打飛靶一樣算準時機,讓太空船發射並完成霍曼轉移後,還能剛好與火星交會。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第589期】

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