錯過日環食？那來認識另類日食「凌日」吧！

（原文刊登於泛科學）

日環食你看了嗎？如果錯過這次2020年6月21日的天文奇觀，下次要在台灣本島看到日環食，可得等到2215年了（希望到時獵人已經完結）。真的錯過也沒關係，除了去其他國家看之外，也可以用特別的方式來「看日食」喔！？

先說說，什麼是日食？

日食指的是月球運行至太陽和地球之間，遮住太陽光線的現象；如果月球剛好離地球較近，在部分地區就能看到月球將太陽完全遮住，稱為日全食；要是月球離地球較遠，以致看起來比較小，沒辦法將太陽全部掩蓋，看到的就是日環食。

圖中A（本影區）可看到日全食；B（偽本影區）可見日環食；C（半影區）能看到日偏食。（圖片來源）

而關於日食現象，經典漫畫《哆啦A夢》裡也曾出現過探討。在〈迷你實物大百科〉故事中，主角大雄的爸爸向其解釋日食的原理之後，大雄追問一句：「月球比太陽小很多吧？」然後畫下僅在中心處被月球遮住的太陽圖像。

（圖片來源：哆啦A夢大合輯第10集）

從物理的角度來看，大雄完全抓到問題的核心：日全食、日環食、還是（像大雄畫的）太陽僅被遮掩一小塊區域，在本質上並沒有太大不同，只取決於地球和太陽之間的天體大小，和其距離地球的遠近。

另類的「日食」：水星和金星的凌日

事實上，可不是只有月球會擋住太陽；比地球更靠近太陽的水星和金星，同樣可能跑到太陽和地球之間，遮擋太陽發至地球的光線――稱為水星凌日和金星凌日。只不過，水星和金星不但比太陽小得多，也比月球距離地球更遠，看上去就真的如同大雄所描述，太陽只被遮住一小點而已。

最近一次水星凌日的照片（2019年11月11日），可見到水星在畫面中僅為一個黑點。下次水星凌日則是在2032年。 Credit: (NASA/Joel Kowsky)

相較於水星凌日平均每世紀出現13到14次，金星凌日就稀少得多。上次金星凌日是在2012年，也是二十一世紀最後一次；下次再看到金星凌日，可是2117年了。不僅如此，水星和金星還可能同時凌日，但極為罕見，人類有史以來尚不曾發生過，下一次同時凌日則會在西元69163年，有興趣的朋友千萬別錯過！

• NASA的金星凌日記錄影片

系外行星的「日食」：凌日光度測定法

日食或凌日並非只會發生在太陽身上；對於遙遠的其他恆星，同樣存在類似的現象：從地球看過去，當系外行星[1]從母恆星前方通過，短暫遮住恆星的部分光芒，我們觀測到的恆星亮度就會稍微減弱――利用這個特性，如果發現某恆星的亮度會週期性地變暗，那便有很大機率代表系外行星的存在。

只不過，上述方法有一些先天的限制；例如，系外行星的軌道要是不經過地球和母恆星之間，就沒辦法觀測。再者，若該系外行星越大、越接近母恆星，顯然對母恆星的亮度影響會越大；這也使得早期利用凌日光度測定法（Transit photometry）發現的系外行星，多屬極度接近母恆星的氣體巨行星，稱為熱木星[2]。然而，隨著觀測技術的進步，已經有更多不同種類的系外行星被發現――這一切很大程度要歸功於克卜勒太空望遠鏡（Kepler Space Telescope）。

克卜勒太空望遠鏡首度發現的五顆系外行星在凌日的時候，對其母恆星造成的亮度變化比較。（圖片來源）

觀察凌日的好夥伴：克卜勒太空望遠鏡

克卜勒太空望遠鏡是美國國家航空暨太空總署（NASA）發展的計畫，其設計目的是為了尋找約莫地球大小、位於適居帶[3]的系外行星，進而調查銀河系中，恆星擁有行星的比例。克卜勒太空望遠鏡尋找系外行星的方法，就是凌日法，也使得凌日法成為目前發現最多系外行星的方法。

至2020年3月5日為止，不同的系外行星觀測法發現的系外行星數目比較。橫軸為年份，縱軸為發現的系外行星數目。綠色即代表凌日法。（圖片來源）

克卜勒太空望遠鏡於2009年升空運作，並於2018年退休；九年多的日子裡，一共觀察了530506顆恆星，發現2662顆系外行星，佔了至今已確認的系外行星總數六成以上。

2013年，因為相繼失去四個反作用輪中的兩個，觀測方向受到很大限制，克卜勒太空望遠鏡被迫停止十五萬個恆星的持續追蹤工作，僅能以推進器和剩餘的反作用輪有限度地調整望遠鏡方位，執行替代計畫。在這個階段，除了系外行星之外，其他天體也在觀測之列。總的來說，克卜勒太空望遠鏡不但在尋找系外行星上居功厥偉，對於我們理解行星系的構造和多樣性，同樣功不可沒。

克卜勒太空望遠鏡（圖片來源）

台灣命名的系外行星

長久以來，科學家一直疑惑，太陽之外的其他恆星，是否也擁有自己的行星呢？如果有，那些系外行星跟太陽系的行星類似嗎？又有多少比例的恆星擁有自己的行星呢？無奈受限於觀測技術，我們無從解答這些疑問。

直到上個世紀80年代末、90年代初，才陸續有系外行星的觀測證據出現。後來，瑞士日內瓦大學的天文學家梅爾（Michel Mayor）和奎洛茲（Didier Queloz）於1995年首度發現繞行主序星[4]（飛馬座51）的系外行星（飛馬座51b）[5]；在那之後，學界對系外行星的認知突飛猛進，也有越來越多的系外行星被發現。在可見的將來，說不定還能從系外行星的大氣組成判斷生命存在的可能性呢？人類在宇宙中是否孤單地存在，也有機會得到解答。

而在台灣方面，2019年12月，慶祝國際天文聯合會成立一百週年的系外行星命名活動中，因為清華大學江瑛貴教授的協助，台灣民眾成功命名了恆星HD 100655為「麗（Formosa）」，以及其行星HD100655b為「水沙連（Sazum）」。這一對恆星及行星，將帶著與台灣文化深切相關的名字，持續在宇宙中運行下去。

註釋

• [1] 即太陽系之外的行星，不繞行我們的太陽運轉。
• [2] 此類行星如同木星為氣體巨行星，但又非常靠近母恆星以致溫度極高，固有此稱呼。
• [3] 指行星系中，行星表面得以存在液態水的軌道範圍區間。
• [4] 指恆星進行氫核融合反應，處於其生命活躍期的階段。
• [5] 兩人因此獲頒2019年的諾貝爾物理學獎。

參考資料

• ROGER W. SINNOTT, ``WILL MERCURY AND VENUS EVER TRANSIT THE SUN SIMULTANEOUSLY?", JULY 19, 2006.
• The Extrasolar Planets Encyclopaedia
• NASA's Kepler Mission By the Numbers
• Kepler and K2 –mission overview
• 曾耀寰，〈尋找系外行星的方法〉，2017-07-28，物理雙月刊。
• 讓台灣也有一顆系外行星！系外行星命名活動