水星
最难观测的行星,只在大距前后的晨昏低空短暂可见。望远镜中可见类似月球的相位变化,表面细节几乎无法分辨。罕见的水星凌日需安全的太阳滤镜观测。
行星
太阳系目前公认有八颗大行星(planet)。按物理结构与化学成分可分为两大类:轨道靠内、以岩石和金属为主、体积小而密度高的类地行星(terrestrial planets)——水星、金星、地球、火星;以及轨道靠外、以氢氦气体或水氨甲烷冰为主、体积巨大而密度低的巨行星(giant planets)——其中木星、土星为气态巨行星(gas giants),天王星、海王星为冰巨星(ice giants)。本页着重于观测与天文摄影相关的分类、几何位形与各行星看点;坐标与方位概念见天球坐标系与视运动。
两类行星对比
Section titled “两类行星对比”两类行星在成分、密度、卫星与环系上差异显著。下表给出定性对比,具体数值见后文物理参数表。
| 特征 | 类地行星 | 巨行星 |
|---|---|---|
| 代表 | 水星、金星、地球、火星 | 木星、土星、天王星、海王星 |
| 主要成分 | 硅酸盐岩石与铁镍金属 | 氢氦气体(木、土);水氨甲烷冰(天、海) |
| 平均密度 | 约 3900–5500 kg/m³ | 约 690–1640 kg/m³ |
| 表面 | 有固态岩石表面,可有山脉、峡谷、撞击坑 | 无固态表面,核心小而致密,外包厚气层 |
| 卫星 | 少:地球 1 颗、火星 2 颗,水星金星无 | 众多,每颗均有数十颗已知卫星 |
| 行星环 | 无 | 四颗均有环,仅土星环易从地球看到 |
| 自转周期 | 较慢(约 24 小时至数十天) | 很快(约 10–17 小时) |
土星平均密度约 687 kg/m³,低于水(1000 kg/m³),是密度最低的行星;木星平均密度约 1326 kg/m³。类地行星密度普遍在水的 4–5 倍以上,因含大量铁与岩石。
八大行星物理参数
Section titled “八大行星物理参数”下表数据综合自 NASA 行星概况表(数值按习惯四舍五入)。直径为赤道直径;距日为轨道半长径;恒星自转周期中负号表示自转方向与公转相反(逆向自转)。
| 行星 | 赤道直径 (km) | 质量 (地球=1) | 平均密度 (kg/m³) | 距日 (AU) | 公转周期 | 自转周期 | 已知卫星 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 水星(Mercury) | 4879 | 0.055 | 5429 | 0.39 | 88.0 天 | 58.6 天 | 0 |
| 金星(Venus) | 12104 | 0.815 | 5243 | 0.72 | 224.7 天 | −243 天 | 0 |
| 地球(Earth) | 12756 | 1.000 | 5514 | 1.00 | 365.2 天 | 23.93 时 | 1 |
| 火星(Mars) | 6792 | 0.107 | 3934 | 1.52 | 687 天 | 24.62 时 | 2 |
| 木星(Jupiter) | 142984 | 317.8 | 1326 | 5.20 | 11.86 年 | 9.93 时 | 90+ |
| 土星(Saturn) | 120536 | 95.2 | 687 | 9.58 | 29.46 年 | 10.66 时 | 140+ |
| 天王星(Uranus) | 51118 | 14.5 | 1270 | 19.19 | 84.0 年 | −17.24 时 | 27+ |
| 海王星(Neptune) | 49528 | 17.1 | 1638 | 30.07 | 164.8 年 | 16.11 时 | 14+ |
内行星:大距、相位与凌日
Section titled “内行星:大距、相位与凌日”水星、金星轨道位于地球轨道之内,称内行星(inferior planets)。从地球看,它们永远不会远离太阳,只能在日出前的东方天空(晨星)或日落后的西方天空(昏星)出现,无法在午夜中天。
大距(greatest elongation):行星与太阳的角距离(即距角,elongation)达到极大值的时刻,是观测内行星的最佳时机。
- 东大距:行星位于太阳以东,日落后出现在西方低空(昏星)。
- 西大距:行星位于太阳以西,日出前出现在东方低空(晨星)。
内行星距角受限于轨道半径:
| 行星 | 最大距角(范围) | 可见时段 |
|---|---|---|
| 水星 | 约 18°–28° | 大距前后短暂晨昏可见,轨道偏心率大故距角变化大 |
| 金星 | 约 45°–47° | 大距前后可见数小时,是最易观测的行星之一 |
内行星还有两种合的位形:**下合(inferior conjunction)**为行星运行到地球与太阳之间;**上合(superior conjunction)**为行星运行到太阳背面。两种合时行星都淹没在阳光中,难以观测。
内行星像月球一样呈现**相位(phases)**盈亏,这是伽利略 1610 年观测金星相位、支持日心说的关键证据。
- 接近上合(行星在太阳远侧)时,呈接近”满”的圆面,但因距地球远,视直径最小。
- 接近下合(行星在地球同侧)时,呈又大又细的弯钩,视直径最大,但被照亮的面积小。
金星视直径在约 10″(上合附近)到约 66″(下合附近)之间变化,差异达六倍以上。由于”盈亏面积”与”视面大小”此消彼长,金星亮度峰值出现在约相位 25% 的细钩阶段,而非满相。
当内行星恰好运行到下合且位于太阳视圆面之上时,会以小黑点形式穿过日面,称凌日(transit)。
- 金星凌日成对出现,两次相隔约 8 年,而每对之间相隔逾百年,极为罕见,最近两次为 2004 与 2012 年,下次需等到 2117 年。
- 水星凌日较常见,平均每世纪约 13–14 次,最近发生于 2016 与 2019 年。
外行星:冲、合、留与逆行
Section titled “外行星:冲、合、留与逆行”火星及更外侧的行星轨道在地球轨道之外,称外行星(superior planets),其观测节律由冲与合主导,且距角可在 0°–180° 间任意取值。
- 冲(opposition):太阳—地球—行星近似成一直线,行星距角约 180°。此时行星于地方午夜中天、整夜可见、距地球最近、视面最大、最亮——是全年最佳观测期。
- 合(conjunction):行星运行到太阳背面方向,距角约 0°,与太阳同升同落,被阳光淹没而无法观测。
- 方照(quadrature):距角为 90°(东方照)或 270°(西方照),行星位于天空与太阳成直角处,此时由地球看去其相位略有亏缺。
外行星也会显示相位,但因距离远、相位角小,亏缺很轻微(火星亏缺最明显,可达约 12%)。
行星通常自西向东相对恒星背景移动(顺行,prograde)。当地球在内侧轨道上”追上并超越”外行星时,该行星会暂时呈现自东向西的逆行(retrograde motion)。逆行并非行星真的倒退,而是地球与行星相对运动造成的视觉效应。
逆行前后,行星运动方向反转处看似静止,称留(stationary point / station)。完整序列为:顺行 → 留(顺转逆) → 逆行 → 留(逆转顺) → 顺行。外行星逆行的中点恰好发生在冲的时刻;内行星的逆行则发生在下合前后。行星越远,逆行持续时间越短、逆行弧越小。
**会合周期(synodic period)指行星相对太阳回到同一位形(如两次相邻的冲、或两次相邻同类合)所需的时间。它与行星的恒星周期(sidereal period)**和地球公转周期 E(约 365.26 天)的关系为:
外行星: 1/S = 1/E − 1/P内行星: 1/S = 1/P − 1/E其中 S 为会合周期,P 为行星恒星公转周期。下表给出各行星会合周期实测值:
| 行星 | 会合周期 | 说明 |
|---|---|---|
| 水星 | 约 116 天 | 一年内多次大距 |
| 金星 | 约 584 天 | 约 1.6 年一轮,8 年完成 5 个会合周期 |
| 火星 | 约 780 天 | 约每 26 个月一次冲,变化最显著 |
| 木星 | 约 399 天 | 约每 13 个月一次冲 |
| 土星 | 约 378 天 | 约每 12.5 个月一次冲 |
| 天王星 | 约 370 天 | 接近一年一次冲 |
| 海王星 | 约 367 天 | 接近一年一次冲,因公转极慢 |
外行星距日越远,公转越慢,会合周期越接近地球的一年,因此木星以外的行星几乎年年都有一段适合观测的冲日时段。
各行星观测看点
Section titled “各行星观测看点”金星
最亮行星,呈现完整的盈亏相位。下合附近视面大而细如弯钩,上合附近小而圆。表面被浓厚云层覆盖,望远镜中看不到地表细节。
火星之冲
冲日前后又红又亮,可辨认白色极冠(由水冰与干冰构成)、暗色表面纹理与偶发沙尘暴。冲若同时接近近日点称大冲,视面最大、约每 15–17 年一遇。
木星
望远镜中可见明暗相间的云带(belts 与 zones)与持续数百年的巨型反气旋风暴大红斑(Great Red Spot);四颗伽利略卫星逐夜变换排列,双筒即可见。
土星
最受欢迎的目镜目标。土星环及环内的**卡西尼缝(Cassini Division)**在中等口径望远镜中清晰可见;环面倾角随年份变化,约每 15 年一次侧视。
天王星 / 海王星
天王星约 5.7 等,极佳条件下肉眼勉强可见;海王星约 7.8 等,必须借助望远镜。两者在望远镜中均为微小的蓝绿/蓝色圆面,需按星图坐标定位。
火星视直径与亮度变化在所有行星中最大:视直径在约 3.5″(合附近,远地)到约 25″(大冲附近,近地)之间变化,亮度则从约 +1.8 等变到约 −2.9 等(亮度相差约 75 倍)。冲日前后是辨认极冠与表面暗斑的唯一良机,通常需要 50 倍以上放大率。
木星与伽利略卫星
Section titled “木星与伽利略卫星”木星是夜空中第二亮的行星(冲时约 −2.9 等),视直径约 30″–50″,是望远镜中最易看到细节的行星。大红斑宽约 1.3 个地球直径,近一个世纪以来持续缩小。伽利略卫星为木卫一(Io)、木卫二(Europa)、木卫三(Ganymede)、木卫四(Callisto),冲日时亮度约 4.6–5.6 等,由内向外排列,逐夜改变相对位置,双筒望远镜即可分辨,常可观察到它们的凌木、影凌与被木星掩食。
土星环主要由 A、B、C 环组成,A 与 B 环之间约 4500 km 宽的卡西尼缝由土卫一(Mimas)的引力共振清空,1675 年由卡西尼发现。土星亮度约 −0.5 至 +1 等,视直径(本体)约 16″–20″,加环后整体可达约 40″。环面相对地球的倾角随土星 29.5 年公转而周期变化:开角最大时宽展如盘,约每 15 年一次几乎侧视,此时环细如一条亮线甚至短暂消失。
土星环与木星云带、大红斑是行星摄影中最经典的两个目标:
行星亮度与视直径变化
Section titled “行星亮度与视直径变化”行星不像恒星那样亮度恒定,其视直径与亮度随日地行星三者的相对位置而显著变化。下表给出大致的亮度区间与极大视直径(供观测预期参考)。
| 行星 | 亮度范围(视星等) | 极大视直径 | 最亮/最大出现时机 |
|---|---|---|---|
| 水星 | 约 −2.5 至 +5 | 约 13″ | 上合附近最亮但难见;下合附近视面大 |
| 金星 | 约 −3.9 至 −4.9 | 约 66″ | 下合前后呈细钩,峰值约相位 25% |
| 火星 | 约 −2.9 至 +1.8 | 约 25″ | 大冲附近 |
| 木星 | 约 −2.9 至 −1.6 | 约 50″ | 冲日附近 |
| 土星 | 约 −0.5 至 +1.5 | 约 20″(本体) | 冲日 + 环面开角大时 |
| 天王星 | 约 +5.4 至 +5.9 | 约 4″ | 冲日附近 |
| 海王星 | 约 +7.8 至 +8.0 | 约 2.4″ | 冲日附近 |
观测条件(大气视宁度、透明度、地平高度)对能否分辨这些细节同样关键,参见观测条件。判断某行星在你所在纬度能升到多高、是否整夜可见,可参考半球可见性。
行星合月与行星连珠
Section titled “行星合月与行星连珠”行星都在黄道附近运行,因此常与月亮或彼此在天空中”相遇”。
- 行星合月:行星与月亮在天空中靠得很近(同一赤经或黄经)。有时月亮会掩住行星(月掩行星),是广角与中焦摄影的良好题材。
- 行星合行星:两颗行星在天空中靠近,偶尔角距小于 1°,望远镜可同视场看到。
- 行星连珠(planetary alignment):多颗行星在一段时间内大致同处天空一侧、沿黄道排成弧形。这是从地球看去的视线方向巧合,并非各行星真正在空间中排成直线。
行星位置随日期变化,具体的冲、大距、合月日期需查阅当年的天文年历或星历软件;星表与术语速查见天体目录与术语表。
想用望远镜把行星细节拍下来,行星摄影采用”短曝光、海量帧、叠加锐化”的方法(lucky imaging),与深空长曝光思路截然不同。
行星摄影入门 用录像 + 抽帧叠加捕捉木星云带、土星环与火星表面细节。
- Terrestrial planet — Wikipedia — 类地行星的成分、密度与结构定义。
- NASA Planetary Fact Sheet — 八大行星质量、直径、密度、轨道与自转的权威数值。
- Elongation (astronomy) — Wikipedia — 距角、大距、合、冲、方照的几何定义与角度值。
- Synodic period — Wikipedia — 会合周期与恒星周期的关系式及各行星数值。
- Apparent retrograde motion — Wikipedia — 行星留与逆行的成因及其与冲、下合的关系。
- Galilean moons — Wikipedia — 伽利略卫星的发现、亮度与可见性。