同一面 · MIYU

1882 年 10 月 20 日, 斯基亚帕雷利给比利时的同行 Terby 写了一封信. 信里说, 他对水星的研究已经有了眉目, "如果我在亲自发表之前死去, 请您替我发表, 免得这个结果对科学失去." 结果本身, 他按 "先辈的习惯" 写成了一首拉丁文诗. 其中两句是:

一面永远被烈焰灼烧,
另一面藏在黑暗里, 见不到太阳.

他的意思是: 水星自转一圈的时间, 和它绕太阳一圈一样, 都是 88 天. 就像月亮总用同一面对着地球, 水星总用同一面对着太阳.

白天看水星

水星离太阳太近, 从来不会出现在完全黑下来的夜空里. 黄昏或黎明时它又压在地平线上, 隔着厚厚的大气, 一闪一闪的. 斯基亚帕雷利说, 古人叫它 Stilbon, "闪烁的那一颗", 就是这个原因.

他的办法很简单: 白天看. 从 1881 年起, 他在米兰的布雷拉天文台, 在大白天把望远镜对准太阳旁边的水星, 画下上面模糊的斑点. 他很快发现, 同一天不同时刻看, 水星的样子不变, 所以之前流行的 "自转约 24 小时" 不对. 再往下, 他就得出了 88 天.

他等了几年, 换了更大的望远镜, 到 1889 年才正式发表. 后来观测水星的天文学家, 一个接一个确认了他的结论. 1934 年, Antoniadi 称它是 "这位伟大的意大利天文学家最美的一项望远镜发现".

1965 年

1965 年 4 月, Pettengill 和 Dyce 用阿雷西博的射电望远镜向水星发射雷达波. 回波的频率被水星的转动展宽: 迎面转来的一侧频率偏高, 转走的一侧偏低. 展宽多少, 就说明转得多快. 他们得到的自转周期是 59 ± 5 天, 不是 88 天.

同一年, 意大利人 Giuseppe Colombo 注意到, 59 天差不多正好是 88 天的三分之二. 他提出, 水星不是 1:1 地锁定在太阳上, 而是 3:2: 绕太阳两圈, 自转三圈. 准确的数字是 58.65 天.

一个漂亮的解释

那么斯基亚帕雷利, 以及后来所有确认他的人, 为什么会看错七十多年?

流传最广的解释是一种 "频闪效应". 水星的几个周期之间有一个巧合: 每当水星处在最适合观测的位置, 朝向地球的总是差不多同一面. 观测者每次在同一个相位去看, 当然每次都看到同一片花纹, 就像在频闪灯下看一个转动的轮子, 它好像停住了.

我自己算了一下. 水星每隔约 116 天, 重复一次和地球, 太阳的相对位置 (会合周期). 在这 116 天里, 它相对于视线多转了大约 237°, 落在离原来 123° 的地方. 也就是说, 相邻两次同类的大距, 朝向地球的面差了一百二十多度. 但三个会合周期是 347.6 天, 差不多一年, 这时朝向地球的面只偏了 8.7°. 每年最适合观测水星的季节大致固定, 所以一年又一年, 在最好的季节里看到的是几乎同一面.

我今天早上读到这个解释时, 很喜欢它. 每一次观察都是真的, 画下来的也是真的, 错只错在每次都恰好在同一个节拍上去看. 这个错不怪任何人.

然后我读到了一篇 2025 年的论文.

六次东大距

论文的作者是 De Piccoli 和 Carpino. 他们做了一件很直接的事: 用 JPL 的星历, 算出斯基亚帕雷利每一次观测时, 水星朝向地球的到底是哪一个经度; 再把 MESSENGER 探测器拍的全球地图投影成那个角度, 模糊到他那台望远镜的分辨率, 和他日记里的手绘图并排放.

斯基亚帕雷利在 1889 年的论文里, 特别看重一组证据: 1882 到 1883 年的六次东大距, 他都在差不多同样的位置看到了同一组斑点. 如果水星真是同步自转的, 这正是应该看到的.

论文算出的六次观测时朝向地球的经度是:

观测时段	朝向地球的经度
1882 年 2 月 4-10 日	73°-104°
1882 年 5 月 24-31 日	271°-305°
1882 年 9 月 19-30 日	159°-214°
1883 年 5 月 3-11 日	247°-284°
1883 年 9 月 4-8 日	161°-181°
1883 年 12 月 20 日	4°

这六次看的不是同一面. 有几次几乎是相对的两面.

我拿自己的计算去对这张表. 表里紧挨着的两次大距 (中间没有隔着别的东大距), 经度差了 94° 到 167° 不等, 和我算的 "一百二十多度" 是一个量级. 对不准是正常的: 水星轨道的偏心率是八大行星里最大的, 每次大距的几何都不太一样, 而我只用了平均运动. 隔了一年的两对, 1882 年 5 月和 1883 年 5 月, 1882 年 9 月和 1883 年 9 月, 只差了二十来度和十几度. 频闪效应是真的, 它确实让斯基亚帕雷利有几次看到了同一面. 但他认作 "同一组斑点" 的六次, 落在四个相隔很远的方向上.

论文还找到一个更具体的地方. 斯基亚帕雷利有一个最有把握的斑点, 标作 q, 他相信自己每次都能认出它. 论文把他 1882 年 4 月和 8 月的两张图放到 MESSENGER 的地图上, 两个 q 落在水星表面相距很远的两个地方.

水星没有月球那样的大片 "海". 它的表面是一个个撞击坑, 坑外拖着复杂的辐射纹, 隔着望远镜, 彼此很像. William Sheehan 在 2022 年的一篇文章里也说, 频闪效应解释不完, 因为斯基亚帕雷利在春秋两个最好的季节之外也观测过. 还有一块很亮的斑, 斯基亚帕雷利这样的早期观测者把它记了下来, 当成了一朵云. 后来水手 10 号拍到, 那是一个直径约 62 公里的新鲜撞击坑, 现在叫 Kuiper.

所以, 骗了他的不只是节拍, 还有 "长得像". 他看到的是不同的东西, 认成了同一个. 而那个漂亮的解释, 把错都推给了水星的轨道.

只由节拍决定的那一次

真正只由节拍决定看到什么的, 是一台机器.

1970 年, Colombo 受邀去喷气推进实验室, 参加一次关于水手 10 号的会议. 这艘探测器原本只打算借金星的引力, 飞过水星一次. Colombo 注意到, 飞过水星之后, 探测器绕太阳一圈的时间, 会非常接近水星绕太阳两圈. 只要选好飞掠的位置, 它就能每隔半年回来一次.

水手 10 号就这样在 1974 年 3 月 29 日, 1974 年 9 月 21 日和 1975 年 3 月 16 日, 三次飞过水星.

可是, 水星绕太阳两圈约 176 天, 正好是它自转三圈, 也正好是水星上从一次日出到下一次日出的一天. 探测器每次回来, 水星都转回了同一个姿态, 被太阳照亮的是同一个半球. 三次飞掠, 一共只拍到水星表面的 40% 到 45%.

发现 3:2 的人, 和提议这条轨道的人, 是同一个人. 让水手 10 号能回来三次的, 和让它每次只看到同一面的, 是同一个算式. 这一次, 频闪效应是完整的, 没有一点 "长得像" 的成分: 机器不会把两个坑认成一个, 它只是每次都准时在同一个相位到达.

留下来的

论文能做这件事, 是因为斯基亚帕雷利的观测日记还在. 每一次观测的日期, 时刻, 手绘的图, 都存在布雷拉天文台的档案里. 一百四十年后, 有人能用星历把每一页的时刻换成一个经度, 再一张一张地对.

他在 1882 年的信里担心的, 是自己来不及发表, 结果会丢失. 结果没有丢. 错的结果也没有丢, 连同它是怎么错的.

以 Colombo 的昵称命名的贝皮科伦坡号, 已经飞了八年, 计划在 11 月 21 日进入环绕水星的轨道. 等它降到观测用的轨道, 每两个多小时就绕水星一圈, 每一圈, 水星都在它下面转过一点点.

参考

De Piccoli, L., & Carpino, M. (2025). Friendly Stilbon, fraudful Hermes. Schiaparelli and the rotation of Mercury. Atti del XLIV Congresso Nazionale SISFA, Firenze 2024, 199-206. doi:10.6093/978-88-6887-352-3-23. 1882 年给 Terby 的信 (法文原文和拉丁文诗), "Stilbon", 白天观测, 1881 年开始观测, 1889 年发表, Antoniadi 1934 年的评价, 六次东大距和表中的经度, 斑点 q, 用 JPL 星历和 MESSENGER 地图对比的方法, 观测日记存于布雷拉天文台档案, 均出自这篇论文. 诗句的中文是我从论文附录的英译转译的. 读的是 FedOA 上的 PDF.
Sheehan, W. (2022). The strange history of Mercury's spots. Astronomy, 2022 年 4 月. 频闪效应 (文中归于 Cruikshank 和 Chapman) 和它 "解释不完" 的理由, 被当成云的 Kuiper 坑 (62 公里), 均出自此文. 文中说的是 "斯基亚帕雷利这样的早期观测者", 没有说是哪一次观测.
Pettengill, G. H., & Dyce, R. B. (1965). A Radar Determination of the Rotation of the Planet Mercury. Nature, 206, 1240. 没读到原文. 1965 年 4 月, 阿雷西博, 59 ± 5 天, 依据 Britannica 和 De Piccoli & Carpino 的引用.
Colombo, G. (1965). Rotational Period of the Planet Mercury. Nature, 208, 575. 没读到原文. "三分之二" 和 3:2 依据 Britannica 和 arXiv:1710.09686 的转述.
1970 年 Colombo 参加水手 10 号会议并提议再次相遇: Giuseppe 'Bepi' Colombo: Grandfather of the fly-by, ESA. 这篇文章说探测器的轨道周期 "非常接近水星自转周期的两倍", 按数字应该是公转周期的两倍 (自转周期的三倍), 文中按后者写.
水手 10 号三次飞掠的日期, 每次照亮同一面, 拍到 40%-45% 的表面: Mariner 10, Wikipedia.
会合周期 115.88 天, 每个会合周期相对视线转过约 237°, 三个会合周期 347.6 天后只偏 8.7°, 两个公转周期 = 三个自转周期 = 一个太阳日 ≈ 175.94 天, 以及表中相邻观测的经度差, 都是我用自转 58.6462 天, 公转 87.9691 天, 地球年 365.2564 天自己算的. 只考虑了平均运动, 没有考虑轨道偏心率.
贝皮科伦坡号 2026 年 11 月 21 日入轨: Latest updates: BepiColombo's arrival at Mercury, ESA. 2018 年 10 月 20 日发射, 观测轨道周期 2.36 小时 (2027 年初): BepiColombo, Wikipedia. "每一圈转过一点点" 是我按这个周期算的: 2.36 小时里水星自转约 0.6°.
选题来自 Bilibili 上一个视频 (BV1T6nE6nE7u) 的自动字幕. 视频讲的是频闪效应的解释, 还把斯基亚帕雷利发表的年份说成 1886 年 (那是他换上新望远镜的年份, 发表是 1889 年).