库克居然还是位天文学家？_风闻

原创：牧夫天文

原文作者：Ted Rafferty

翻译：王延昕

校译：DAIKIN

编排：Asensiosh

后台：库特莉亚芙卡 李子琦

首先需要明确，我们这里要说的不是苹果CEO蒂姆·库克，而是二百五十年前那位发现澳大利亚的库克船长。

詹姆斯·库克（James Cook/1728-1779）出生贫寒，只在乡村学校接受了几年正规教育，却跻身等级森严的皇家海军，成为了高级军官，并获得世界上最古老的国家科学研究所——皇家学会的会员资格。他集自信与谦卑于一身，但同时还有倔脾气，这也就导致他的夏威夷造访之旅转变为暴力对抗，最终他和四名船员，以及数十名夏威夷人一起葬身石滩上。

1770年3月，英国皇家海军的詹姆斯·库克（James Cook）中尉正忙于绘制新西兰的海岸线，开始他的伟大航海探险。从东到西、从北到南，纵横交错穿越太平洋的三次远航让库克船长被公认为有史以来最伟大的探险家之一。

而很少有人知道，天文学在他的生活和探险中起着不可或缺的作用。

航海期间库克观测到了多次金星凌日和水星凌日、日月食、月掩星（包括一次月掩土星）和彗星。他能娴熟地利用天文观测来确定所在地点的时间、经度和纬度，这对航海而言是极为重要的。

库克天文从业史可以追溯到1758年，当时他还在加拿大的英国皇家海军当兵。

谁能想到，詹姆斯·库克（James Cook）首次远航的主要目的之一就是去大溪地观测1769年金星凌日的全过程！在库克第二次远航再次到访大溪地时，同行的探险艺术家威廉·霍奇斯（William Hodges）在同样地点绘制了这幅画。

库克对于测量的兴趣始于一次与测绘员的偶然会面，自此他热衷于学习研究测绘员的必需技能。由于他制作了高质量的图表再加上身处高层的朋友推荐，库克于1763年被派去勘测纽芬兰岛。

库克所使用的主要测量仪器是经纬仪和望远式象限仪。经纬仪测量两点之间的水平和垂直角度，时至今日仍然是测绘员必不可少的工具。

而象限仪测量的是目标物体与天顶之间的角度（天顶距），这是确定观察者纬度的重要步骤。当时经纬仪和象限仪都必须极其精确地调平，因此并不适合在船上使用。

左：一台18世纪的经纬仪；右：一台18世纪的象限仪

尽管库克在纽芬兰测得精确纬度值，但他还需要建立一个已知经度的参考点，继而需要至少一个基于格林威治时间的精确测量值。终于一次日环食为他提供了这样一个机会，此次日食的中心线恰巧于1766年8月5日穿过纽芬兰南边。库克通过望远式象限仪观测并记录下初亏和复圆前后太阳的天顶距。

由于库克并不具备从观测中确定经度所必需的数据或数学技能，因此他将其观测结果带回英国，交由一位专业的天文学家进行计算，以确定库克测量天顶距离的本地时间，并校正了折射、月球视差和太阳的半径差。这位天文学家曾对英格兰牛津地区的历次日食观测结果进行了相同的校正和计算，由此便可得知这两个位置初亏与复圆的当地时间之差以及牛津观测的已知经度，最后天文学家计算出库克观测日食位置的经度，误差仅为7.5公里。

库克的上司对他在工作中所体现的谨慎、准确性和奉献精神印象深刻，而库克也认识到了天文观测的价值。库克的纽芬兰海图为图表的完整性与精确度设定了新的标杆，并被使用了一个多世纪。

经度测定问题

确定海上经度的古法是盲航法：根据船舶的方向和速度估算从已知经度出发的距离。而风和洋流使得计算结果的准确度大打折扣。1519年至1522年，费迪南德·麦哲伦（Ferdinand Magellan）的舰队在环球远航期间，他对菲律宾经度的计算值偏差了53度，即大约5600公里！

到了1612年，也就是发现木星四颗明亮卫星的两年后，伽利略意识到它们的周期性规则运动可以作为确定经度的“通用时钟”。1668年，意大利法裔伟大的天文学家乔瓦尼·多梅尼科·卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）发布了准确的木星卫星位置表，这些表被用于改进欧洲地图。诸如日食、月食和月掩星等可预测的天文事件的时间也能用来确定经度，但它们的出现频率实在太不实用了。

要观测木星的卫星需要一个稳定的望远镜，这在陆地上不是难事儿，但在船上就麻烦多了。因此航海定位所需要的是一个可预见的天文学事件，而且该事件经常发生并可以在海上准确观察到。1514年，德国数学家约翰尼斯·沃纳（Johannes Werner）建议使用月球与太阳或其他参考星之间的角距离来确定经度。月球的轨道运动使它大致以每天13.2°或每小时33’的速度穿过背景恒星。因此，如果可以短时间内精确测量月球与已知恒星之间的角距离就可以确定时间进而确定大致经度。

然而事情往往没那么简单。木星离太阳很远，其卫星也牢牢地被巨大的木星束缚在固定轨道上，而月球却被地球和太阳相互吸引，这使其运动轨道非常复杂。直到1755年，德国天文学家托比亚斯·梅耶（Tobias Mayer）才提出了一种足够精确地计算月球轨道的方法，改善了月角距法。

另一种选择是使用按格林威治时间运行的机械时钟。到1700年代中期，最好的摆钟可达到每年数分钟的误差精度，但前提是必须安装在稳定的平台上。而库克第一次航行时（1768年至1771年），当时可用于海上保持准确时间的唯一一台时钟是约翰·哈里森（John Harrison）制造的H4航海表，可惜该钟当时正“忙”于英国国会“经度奖”的试航评估中。

另一方面，哈里森的H4航海表只能为从英国到西印度群岛两个月的短暂航行提供准确的时间。但库克的航行得耗上几年，它累积的误差将使其几乎毫无用处。

在第一次远洋航行中，库克使用月角距法作为确定格林威治时间的主要方法。他用六分仪测量了月亮与太阳或参考恒星之间的角距离，并记录下当地时间。再通过参考英国航海历以查找对比从格林威治观察到相同目标角距离的时间，以此推算所在位置的经度。

月角距法

从地球上观测，月球在恒星间穿行速度很快，因此我们可以通过测量月球与太阳或其他参考恒星的角距离来计算格林威治时间。为了补偿大气折射，您还需要测量月球和恒星在地平线上方的角高。

这张航海历上的表格显示了观察者在1769年1月于格林威治所看到的月亮与主要恒星间的角距离。

尽管月角距法的概念很简单，但其他因素却使其在实践中更加复杂：大气折射使月亮和恒星看起来比实际高，月亮因离地球太近使其尺寸相对恒星大太多，必须调整其视位置以消除视差。因此，除了获得月球与恒星之间的角距离外，还必须测量两个天体在地平线上方的高度。对折射和视差进行校正需要使用复杂的球面三角学，因此为了简化计算数学家们开发了一种使用对数的巧妙方法。这项操作不需要基本的数学原理知识，只需遵循一些明确定义的步骤，即可从“航海历”中查找必要的天文数据，并从另一本书中查找对数值。

在库克第二次远征时（1772年至1775年），他带了一些哈里森H4航海表的复制品做测试，最后仅有一款最可靠，那就是由Larcum Kendall制造的被世人称为K1的航海表。航海表使用的是格林威治时间，但为了确定当地时间，进行天文观测仍然是必需的。第二次远征刚开始时，库克对航海表长时间计时误差依然心存疑虑，所以继续使用月角距法来确定经度。

Larcum Kendall制造的K1表

 为了校正K1表经年累月的误差，库克再次到访两个他在第一次航行中确定了经度的地点。一处是南太平洋大溪地岛的维纳斯角，他在这儿观测了1769年6月3日的金星凌日。另一处位于新西兰南岛北端的船湾，他在这儿花了很长时间修船。

在库克的三次远航中，他曾五次造访维纳斯角，六次到达船湾。他用这两个地点的已知经度来重置K1表的时间，实践证明这办法确实非常有效。库克于1773年离开船湾，并沿南太平洋逆时针航行从南极洲附近的南纬71°直到热带的南纬9°区域，11个月后返回时发现K1表的时间仅慢了19分31秒（在校正固有机械误差后）。尽管仍不如月球距离法精确，但航海表使用方便快捷，并且消除了观测和计算误差的可能性。库克对这块表印象深刻，以至于他在第三次航行中继续佩戴K1表。

每次远航库克所携带的天文设备包括六分仪，望远式象限仪，望远镜（折射镜和反射镜）和航海表。

库克和他的助手可以在海上和陆地上使用六分仪，但其他仪器仅在陆地上可用。每次船靠岸修理、采购或船员上岸休整时，库克都会利用这些机会建立一个帐篷天文台。如果天气允许他便会进行观测，以获取比他在海上获得的更为精准的经纬度。虽然在他所有航行中都有专业的天文官随船负责观测和计算，但库克的观测往往与天文官们的观测一样准确。

1770年6月，在库克的第一次远航中，他的船因闯入大堡礁群而险些沉没，最终幸运地停靠在现今澳大利亚昆士兰州库克敦（以他的名字命名）。在那里库克的天文官查尔斯·格林通过观测两次木卫一日食 ，计算出的该地点经度与今日所测定的值仅相差4.3和15.8公里。在第二次远航中，随行天文官威尔士对新西兰北岛和南岛的经度与格林在第一次远航中所测值有所不同，格林的南岛经度偏东58公里，北岛经度偏东43公里。库克被误差弄得心烦意乱并且自责，但两位专业天文官之间的测算差异实际是表明了确定经度是有多么的困难啊！

毫无疑问，库克对世界最著名的遗产是他对太平洋的探索，但他的天文观测对航海导航的贡献卓越，当然对K1航海表的使用与“推广”也同样重要。

经度和时间

您在空间中的方位由您的纬度和当地时间决定，因此这些值相对容易测量。例如，当地时间的正午是太阳最高时，太阳在那时的天顶距等于您所在的纬度减去太阳的赤纬（可在天文年历中轻松查到）。

然而测量经度就要难太多了，因为在任何给定纬度下，无论经度如何都会经历相同的空间方向循环。例如，一个位于您以西30度的人在两小时后看到的太阳位置与您现在所看到的相同。但是，如果您有一个时钟（无论机械的或天文的）能告诉您经度为0°的格林威治时间，那您就可以通过用本地时间减去格林威治时间并乘以15来计算经度（不考虑国家概念的时区）。反之，如果您所在地点已知经度，您可以从当地时间计算出格林威治时间。

『天文时刻』 牧夫出品

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正在孕育恒星的玫瑰星云

玫瑰星云位于麒麟座，距离地球约5000光年。赫歇尔太空天文台收集了尘埃发出的红外线。其中明亮的黑斑是含有巨大恒星胚胎的布满尘埃的蚕茧，这些恒星的质量将是太阳的10倍。靠近图像中心的小点是质量较小的恒星胚胎。星云本身及其巨大的恒星群则位于图片的右侧。