为什么2023年的金星与木星的会合要到2039年

像发条一样，行星在夜空中跳舞，在可预测的重复轨道上相互擦肩而过：这种舞蹈已经持续了数十亿年。尽管广义相对论的影响和其他行星之间的引力影响，可追溯到开普勒的行星运动的简单定律决定了行星相对于彼此的椭圆运动速度是如此完美，以至于它们不需要在许多世纪的时间尺度上进行修正即可成功预测在哪里， 在任何给定时间，行星将彼此相对出现。
2023年3月1日和2日，金星和木星将在一个壮观的结合中对齐：这是一个天文事件，地球夜空中最亮的两颗行星将仅相隔半度，或者当你握住它时，大约是小指指甲宽度的一半。如果你有一个清晰的西方地平线，在日落后的天空中很容易看到，这标志着自2015年以来我们两个最亮的行星之间最接近，最容易看到的相遇，直到2039年才会有更好的表现。这里有一个指南，介绍了你可以看到什么和为什么的科学，以及你可以做些什么来充分利用这个和所有未来的相聚。

这张金星和木星的照片是由空间站指挥官斯科特·凯利（Scott Kelly）在2015年合相期间从国际空间站拍摄的。在太空中，与地球上不同，您不必与大气或地平线作斗争，从而使这些景象更容易看到。
(学分：斯科特凯利/美国宇航局）
即使就其本身而言，金星也是一颗非凡的行星，当伽利略在1609/1610年首次将他的天文望远镜转向天空时，它提供了反对旧地心模型的最有力证据之一。对于肉眼来说，金星只是一个明亮的光点：出现在地球天空中最亮的自然物体，仅次于太阳和月亮。虽然它的亮度在大约20个月的周期内发生了一点点变化（大约半个星等），但金星更显着的特性是它在我们的天空中经常迅速地改变位置，并且被称为“晨星”或“晚星”取决于它出现的时间和地点。
作为我们天空中最亮的行星，金星通常是太阳下山后你看到的第一道“光”。每当太阳落山（由于地球自转）并且金星在太阳的东边（左边）时，它就会出现在傍晚的天空中。同样，它通常是太阳升起的夜晚留下的最后一盏“光”。每当太阳升起（由于地球自转）并且金星在太阳的西边（右边）时，它就会出现在我们早晨的天空中。金星在（对于“晚星”）和之后（对于“晨星”）大约71天达到离太阳最远的地方 - 它的最大伸长率 - 它达到最大亮度。然而，它能够通过望远镜看到金星，真正解释了正在发生的事情。

从地球上看，金星的相位可以让我们从地球的角度理解金星是如何出现的。金星的最大伸长距离太阳为47度，在薄新月阶段最大最亮，但当它更远更小时，它更饱满，仍然是地球夜空中除月球之外最亮的物体。这些阶段是伽利略在400多年前发现的，并有力地支持了日心说。
(学分：克里斯托弗·伊利奇）
从地球上看，金星从不冒险离太阳很远。虽然火星、木星和土星可能出现在夜空中的任何地方，甚至与太阳的位置截然相反，但金星和水星的行进距离受到限制：金星离太阳的距离永远不会超过47°，水星离太阳的距离永远不会超过23°。
为什么会这样？
只有当金星和地球都绕太阳运行，并且金星是地球的内部行星时，这种观测才有可能。作为仅有的两颗行星（与水星一起）显示从地球上看到的新月和半满相的行星之一，这明确地表明日心说如何解释地心说无法解释的现象。金星和水星绕着太阳内部运行，而其他行星 - 火星，木星和土星 - 必须绕更远的轨道运行。但是，尽管木星缓慢而外在的性质，但它对日心说的支持可以说更加令人信服。

当木星的一颗卫星经过我们太阳系最大的行星后面时，它落入了行星的阴影中，变得黑暗。当阳光再次开始照射到月球上时，我们不会立即看到它，而是在几分钟后看到它：光从那个特定的月亮传播到我们眼睛所需的时间。在这里，木卫一从木星后面重新出现，这与Ole Rømer用来首先测量光速的现象相同，而木卫二和木卫三则悬停在右侧。
(学分：罗伯特·莫迪克）
这是因为，当你通过望远镜观察木星时，当然，它看起来总是大致是球形的，但木星有自己的突出卫星，即使在非常小的望远镜或一副传统的双筒望远镜中也会出现。事实上，木星有四颗大型卫星——它的伽利略卫星木卫一、木卫二、木卫三和木卫四——它们正好低于人类视觉的能见度极限。随着时间的推移，可以很容易地看到这四个物体绕木星运行，沿着逆时针绕其母行星的轨道运行，就像所有行星都绕太阳逆时针运行一样。
随着其他行星（不仅仅是地球）拥有卫星的发现，很明显，任何“力量”使行星围绕太阳运动，并使月球保持在围绕地球的轨道上，也围绕其他行星发挥作用，而围绕其他行星（如土星）的卫星将在世纪后。
金星与木星紧密合相的部分美妙之处在于，你可以用双筒望远镜或望远镜在同一视野中看到这两种现象——金星的相位和木星的卫星。这是罕见的景象，每隔几年才会出现一次！

虽然多云天气对天文学家来说可能是一场噩梦，但在正确的时间和地点云层破裂可以让宇宙之外的天文事件被看到。2023 年 3月 1 日晚上，多云的爱尔兰的安东尼·墨菲尽管天气困难，还是设法捕捉到了金星/木星的合相。通过望远镜或双筒望远镜，他可以看到木星的卫星和金星（目前是吉伯斯）的相位。
(学分：安东尼墨菲/神话爱尔兰）
但是这句话，特别是如果你熟悉天文学、天体物理学和万有引力定律，当你听到它时可能会让你感到困惑。毕竟，地球每年绕太阳公转一次，“行星像发条一样运动”的类比已经存在了很长时间，只要我们认识到行星轨道是多么难以忍受。
当然，木星在外轨道上，导致它的运动速度比地球绕太阳慢得多。 地球每年绕太阳转一圈，而木星绕太阳公转需要12年的时间。结果，地球、木星和太阳每 13 个月返回一次它们在天空中的相同相对位置。
同样，金星在地球的内轨道上;完成绕太阳公转只需要大约8个月。事实上，金星每绕太阳运行8圈，地球就会完成5圈，这就是我们得到金星、地球和太阳需要20个月才能回到它们现在所处的相对位置的数字。这些行星运动已经为人所知许多世纪了，几乎没有人对此提出异议。

这张 2023 年 3月 1 日拍摄的金星/木星合相照片毫无疑问地表明哪颗行星从地球上看起来更亮：右边的金星。木星，“天空之王”，从地球上看，就亮度而言，永远无法接近金星。
(学分：布拉德·佩里）
然而，在2023年3月1/2日金星和木星的合相之前，更早的合相来自：
2022月 4月30日，
八月 27日， 2016年，
六月 30日， 2015年，
2008年2月1日，
和 2005 年 11 月 5 日。
这代表了自1世纪初以来金星和木星之间发生的所有紧密合相（21度或更小）。2022年、2008年和2004年的合相发生在黎明前的天空，而2015年、2016年和2023年的合相发生在日落后的天空。
但是，如果金星和地球每20个月回到相同的相对位置，木星和地球每13个月回到相同的相对位置，那么金星和木星的合相不应该比我们在这里记录的要多得多吗？
你可能会预料到这一点，你完全有理由做出这样的预测。但是有两个因素与这些期望背道而驰，如果我们想正确地预测天体的运动和它们合相的发生，我们就不能忽视它们。

这幅地球上一个“年”的动画显示了金星与木星的对齐（合相），但从地球的角度来看，两者都在太阳后面。虽然这些行星看起来都像是彼此在同一个平面上运行，但实际上这些平面彼此相差~7度，这可以从边缘视图看到，但不能从这样的正面视图看到。
(图片来源：dynamicdiagrams.com，2011 年，现已停产）
你必须意识到的第一件事是，并非所有行星都真正在完全相同的平面上运行。我们可以从定义地球轨道围绕太阳旋转时定义的平面开始：黄道平面。如果你将一张纸（或任何其他二维表面）滑过太阳，并使其定向，使地球始终沿着该平面运行，您会发现其他七颗行星的轨道都倾向于该平面，因为每个行星都有自己独特的轨道围绕太阳。 与地球-太阳轨道定义的黄道平面相比， 其他行星的倾角是：
水星， 7.01°，
金星， 3.39°，
火星， 1.85°，
木星， 1.31°，
土星， 2.49°，
天王星， 0.77°，
和海王星，1.77°。
相对于地球 - 太阳平面，金星可以在该平面上方或下方出现3.39°，而木星可以在该平面上方或下方显示1.31°。虽然有许多木星 - 金星合相会发生在两颗行星相距1°甚至0.5°（或更小）以内的地方，但大量这些合相 - 几乎大约一半 - 发生在距离大于1°的情况下。换句话说，许多木星和金星的合相实际上并没有使两颗行星彼此特别接近，至少从地球上看是这样。

因为金星从不冒险离太阳特别远，所以金星和木星之间的合相只有在木星从地球上看到的太阳“落后”时才会发生。在这段旅程中，无论金星碰巧在哪里，包括当它无形地靠近太阳时，都将决定合相的可见性。
(学分：天空直播，2023 年）
但更具影响力的是：金星和木星之间发生的大多数合相是位于地球表面的人类观察者看不到的。
换句话说，合相确实比闰年频繁得多;事实上，它们平均每年发生一次。但是从地球上实际可见的合相要少得多，因为大多数发生的合相都看不见，原因很简单：白天你无法用肉眼看到行星。
事实上，如果你想看到一颗靠近它的行星，一旦太阳下山（或者在太阳升起之前必须保持黑暗），天空就必须大幅变暗。是的，金星从来不会冒险超过47个太阳，但在大多数时候，金星看起来离太阳更近。在每50个月间隔的20天内，金星在太阳后面，从地球上完全看不见。同样，金星每8个月间隔20天在地球和太阳之间，使其同样不可见。只有当金星从后面接近地球或在最近经过地球后远离地球时，它才可见，并且在大多数时间里，它距离太阳在十几到20度之间。

当太阳勉强落到地平线以下时，天空仍然像白天一样明亮。当它下降到地平线以下时，我们在夜晚开始之前经历了民用、航海和天文的曙暮光，然后在新的一天到来时，曙暮光反过来发生。
(图片来源：Pmurph5 和 TWCarlson/Wikimedia Commons）
现在，我们可以真正看到为什么金星和木星的可见合相如此罕见：除非行星距离太阳超过18°至20°的地方发生合相，否则你根本无法从地球上看到它们。天文学家通常将夜晚的日落后和黎明前部分分为四类，具体取决于太阳实际低于地平线的程度。
0°至6°：民用曙暮光，不需要人造光即可完全可见，通常看不到行星或恒星。
6°至12°：航海曙暮光，天空开始变得相当暗，只有不靠近太阳本身的明亮恒星和行星（即，这样它们就不会在太阳的眩光中消失）是可见的。
12°至18°：天文曙暮光，观察者特别努力可以看到非常靠近地平线的明亮物体（如恒星和行星），即使太阳的眩光会构成实质性障碍。
超过18°：全夜，恒星和行星随处可见，甚至在地平线上。
此外，特别是在高纬度（非赤道）地区，太阳通常以一定角度在地平线下方和上升起，这意味着日落后（或日出前）可能需要60-90分钟以上才能达到黑暗的天空。如果你感兴趣的物体在这段时间内在地平线以下，你根本看不到它们。作为一般的经验法则，这些行星的最佳“狩猎时间”发生在它们与太阳的距离为25°或更大时。

这张从1990-2060年金星-木星合相图，从（德克萨斯州休斯顿）行星上看到，显示虽然许多合相相对接近，但只有少数发生在0.5度或更小的相距。此外，大多数合相发生在金星和木星对距离地平线不到25度时，这对普通观众来说是一个挑战。
(学分：P. Hartigan/莱斯大学）
金星和木星的大多数合相发生在这些不利的观察条件下：离太阳太近，地球上的人类看不到。此外，非常接近的合相，其中金星和木星相距0.5°或更小，是非常罕见的，特别是当作为容易看到的金星/木星合相的子集时。
2023年3月1日至2日的合相非常特殊，因为金星和木星之间的距离只有0.5°，而金星/木星对与太阳之间的距离为25°或更大。（具体地说，这个连合的间隔是29°。）从1990-2060年开始，只有以下日期与如此大的间隔有如此紧密的连合：
1998年4月23日（黎明前），与0.5°联和26°太阳分离。
1999年2月23日（日落后），与太阳夹角0.2°，与太阳相距26°。
2015年6月30日（日落后），与0.3°联和32°太阳分离。
2039年9月2日（黎明前），与太阳夹角0.2°，与太阳相距39°。
如果你想看到金星和木星最接近的地方，你必须做出非常特别的努力来对抗地平线。2056年2月12日黎明前的会合将使金星和木星仅相隔0.1°，但距离地平线仅16°，这将是一个巨大的挑战。2065年11月22日，金星实际上将遮蔽木星：自1818年以来，我们的第一颗行星掩星从它前面经过，但距离地平线只有8°。行星通常会近距离接近，但为了让人类看到并享受它，需要更罕见的环境汇合。

这张由天文摄影师克里-安·莱基·赫本于 2023 年 2月 28 日拍摄的照片展示了他地平线上方的灿烂金星和木星，而云层后面可以看到星星。这个壮观的事件是其中之一，天气允许，你不应该错过！
(学分：克里-安·莱基·赫本）
当我们拥有它们时，请享受我们拥有的美好，愿您享受宇宙的尝试与晴朗黑暗的天空相遇！