观测日志——认识天球坐标




认识天球坐标
Alan MacRobert　文　Shea　译
	对于天文初学者来说，他们也许会感到奇怪，为什么离我们上千光年远的恒星的位置会被束缚在一个类似地球经纬度的系统中？　　 [图片说明]：在这张长时间曝光的照片中，由于地球的自转星星围绕着北天极画出美丽的弧段。北极星就位于距离北天极不到1°的地方。版权：Edwin L. Aguirre & Imelda B. Joson。　　天球坐标系统虽然在现代天文学中得到广泛使用，但是它却是基于我们祖先错误的世界观所建立的。他们认为地球是静止的，而且位于宇宙的中心。同时他们相信天空是一个中空的球面覆盖在地球上，就像一个巨大的圆顶。　　　　早期的天文学家认为天球应该是一个完整的球面，因为他们从来没有见到它的边缘。当天球的一部分从东边升起时，另一部分则必定在西方地平线之下。在任何时间，天球总是有一半在地平线之上，另一半在地平线下方。　　　　甚至今天我们看到的宇宙仍是这个样子。不必为我们其实是在银河系的一条旋臂上饶银河系中心转动而担心。在天文学中，现象与本质和人类以往的经验已大不相同。也许正是这个原因，天文学家可以在两者之间安然处之——只要保持两者的合理关系。从地球上我们通过望远镜来观测位于天球内表面的恒星，天球具有无穷大的半径而且看上去在绕着静止的地球旋转。但这是假象。　　从地球到天空　　　　一旦你想说明球面上一点的位置，你就得用到球面坐标。在地球上，它们被称为经度和纬度。想象一下，经线和纬线从地球向外膨胀到达天球的内表面。这时它们分别又有了新的名字——赤经和赤纬。位于地球赤道0°纬线之外的就是天赤道。假如你站在地球赤道上，天赤道将穿过你的头顶。如果站在北极，北纬90°，那么北天极赤纬+90°就位于你的头顶。　　 [图片说明]：地球位于天球的中心，天球是一个位于无穷远的假想球面，行星、恒星和星系看上去好像是印上去似的。在天球上，赤经和赤纬线与地球上的经线和纬线相似。当望远镜赤经轴和地轴平行时，望远镜就可以跟踪天空的视自传了。版权：S&T/Steven Simpson。　　在其他任何纬度——以位于北纬39°的堪萨斯城为例——相应的赤纬线会穿过你的头顶：也就是赤纬+39°线（按照习惯，位于天赤道以北、以南的赤纬用+、-表示而不是用地球上用的N和S）。这正好与织女星的赤纬相同，因此会有一天，织女星会在堪萨斯城所在纬线的正上访穿过。　　小时和度　　　　当然织女星并没有运动，是地球在转动。但是在这儿我们讨论的是视运动。看起来，天球围绕着我们以24小时为周期转动。　　　　这种日运动是以赤经来度量的。与以度（degree）为单位的地球经度不同，赤经通常以“小时”（hour）为单位，从0h到24h环绕天空一周。这是一种对圆周不同的分割方法。1小时对应于圆周的1/24或者15°。　　　　用“小时”划分的好处是，由于地球的旋转，我们可以看到每小时与赤经的分度相应的天空。这就使得计算天体升起和落下的时刻变得相对的容易。恒星就变成了一个巨大的时钟。　　　　从古巴比伦开始，人们以60为单位又将度和小时划分成更小的单位。1°中包含了60角分（arcminute），写作60'。1角分中含有60角秒（arcsecond），写作60"。一台好的望远镜在良好的天气条件下可以分辨出天球上小至1"的细节。与之相比，地球上经度的1"则相当于30.8米。因此，假如地球是透明的而且在地心处有一台望远镜，你就能分辨出地球表面房子大小的物体。　　 [图片说明]：（左）活动星图中的猎户座赤经范围5^h～6^h，赤纬范围-10°～-20°。（右）红框中的猎户腰带区。版权：S&T/Craig Michael Utter。　　因为赤纬以“度”为单位，按照前面讲的，其更小的单位就是“角分”和“角秒”。例如，织女星的确切赤纬（历元2000.0）为+39°47'01"。　　　　以“小时”为单位的赤经则被进一步划分成“分”（minute）和“秒”（second），没有“角”（arc）。1小时包含60分，写作60^m，1分包含60秒，写作60^s。织女星的赤经为18^h36^m56.3^s。　　　　请注意不同的分和秒在这里有不同记号。它们是有本质区别的。因为1^h包含15°，因此1^m包含有15'，1^s含有15"。　　起始点　　　　任何一个坐标系都具有值为零的纬线，无论它被称为纬线、赤纬或是其他什么。这一参考线就是赤道。没有其他的纬线具有这样特殊的地位。 [图片说明]：地球（图中央的蓝点）的自转轴和赤道与地球绕太阳公转的轨道面有一定的夹角。于是，天球坐标系（黄色和蓝色）就会和黄道有一定的夹角。赤经的计量零点就取在黄道和天赤道相交的两个交点中的一个。版权：S&T/Gregg Dinderman。　　　　但是，却没有这样的一条天然的经线，它的值为0°——在天空中赤经也是如此。所有的经线或是赤经都具有同等的地位。因此我们可以定义任何一根经线为0°经线。在地球上，很久以前就定义穿过位于英国格林尼治皇家天文台位置测量望远镜下黄铜板上刻线的经线为0°经线。在天上，0^h被定义为穿过地球绕太阳公转的平面（黄道面）与位于双鱼座天赤道相交于一点的赤经线。由于历史的原因，这一点被称为春分点。　　令人困惑的进动　　　　大约2000年前，当春分点被命名时它位于白羊座。由于岁差（在刚体力学中被称为进动）——一种沿着地轴方向的缓慢运动，春分点进入了双鱼座。　　　　以一定的角度旋转的陀螺也存在进动。它的轴会绕着桌面施加于陀螺顶点的支持力画圆。相同的，由于月球、太阳施加的潮汐力，地球也存在缓慢的进动——长期的进动称为岁差。　　　　因此我们会发现，北天极（现在位于北极星附近）会绕着北黄极每26,000年画一个圆。这样一来，运动的天极就会拖动整个天球坐标系统，于是整个赤经赤纬也会随之改变。　　 [图片说明]：（左）具有不同历元的活动星图。它不仅能显示任意时间位于地平线上方的恒星，而且还能显示地球自转轴长达26,000的进动。（右）3等星天鹅δ将在公元11250年成为北极星。版权：S&T/Craig Michael Utter。　　　　与普通的观点相反，岁差并不会影响地球上的经度和纬度，地球上的北极不会运动到一个新的位置（至少在我们所谈及的时间跨度内不会很大）。它不会让海象享受到日光浴，这一点大可放心。唯一值得注意的是，天球坐标相对于恒星在运动。例如，在12,000年内，织女星就会变成北极星，而猎户座也会变成夏季星座，而它现在冬季星座。　　　　由于坐标线会以这样的方式运动，所以一颗恒星的赤经、赤纬值会发生连续的变化。为了确定一颗恒星的位置，我们需要注明所使用的赤经赤纬的时间。现在的标准是“历元2000.0”，是“从2000年开始的赤经赤纬”的缩写。先前的标准则是基于历元1950.0的。　　　　对于运动的天体，例如太阳、月球和行星的赤经、赤纬值通常注明“历元日期”：以便于实时记录。　　　　然而，天文爱好者需要考虑岁差和情况是极为罕见的。从1950年到2000年，天球坐标沿着黄道运动了仅0.7°，比许多望远镜的低倍率视场还要小。而且这一数值仅仅是对于黄道自身而言的。在其他地方，总的移动量就更小了。　　　　进动会造成什么后果呢？它会使恒星的赤经值逐年增加。而对于赤经，只要记住越往东其值越大就行了。
出自：Sky & Telescope

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