【天文】教你认识三大天球坐标系!(上)

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【天文】教你认识三大天球坐标系!(上)

什么是天球?

  《敕勒歌》有云:天似穹庐,笼盖四野。

 

这八个字形象说明了当我们仰望天空的时候,我们会觉得天仿佛就像一个很大的倒扣的锅。这是因为当双眼聚焦于非常远的物体时,会产生一种距离都一样的错觉。

 

在夜晚也一样。虽然每个肉眼能看到的天体与地球的距离相差十分大,但在我们看来它们似乎都是一样远的。你并不会觉得火星看起来比木星、土星或者其它恒星更近。

于是,夜晚的星空在肉眼看来,就像一颗颗星星镶嵌在了一块黑色的幕布上,而这块幕布盖住了整个大地。换句话说,看起来“天”就是一个实体,而行星、恒星、月亮、太阳,就镶嵌在“天”上。

 

在古中国,这种“天似穹庐”的错觉首先让“盖天说”萌芽了。随后,人们经过观察提出了更大胆的假设:“天”应该就是球形的,恒星就镶嵌在“天”上,而行星、太阳、月亮可以在“天”上运动。这就是“浑天说”的雏形。

“浑天说”示意图
在古希腊,“地心说”也是因为这种错觉而萌芽,并逐渐发展的。值得一提的是,经过托勒密完善的“地心说”堪称是世界上第一个比较科学的宇宙结构学说。

虽然现在我们有了更完备的理论,但是这种“天像一个球”的概念由于其直观性和方便性,得到了保留。这就是“天球”。

 

那么现代对于“天球”是如何定义的呢?

 

假想一个半径无限大的球,我们就身处于球内部。由于球的半径无限大,因此无论你随着地球自转、公转运动到了何处,你到球面任意一点的距离都是无穷大,换句话说,无论时间地点,你都处于球心。所有的天体,都视为在这个半径无穷大的球上运动。这就是“天球”。

上图就是一个天球仪。我们可以看到天球仪和地球仪有几分相似。但要注意的是,这个天球仪的地球半径相对于天球半径来说是不可忽略的。地球半径相对于天球半径应该是一个无穷小量。换句话说,我们的视角应该在图中的地球的最中心处。
看到这里你就明白了,“天球”是以观察者的视角而假想出来的一个概念。

赤道坐标系

  我们有了天球的概念,为了说明天体在天球上的位置,我们就需要建立完整的坐标系。

 

那么球面如何建立坐标系呢?这个相信大家都知道一个离我们生活最近的例子——地球的地理坐标系。

 

在地理坐标系中,经度圈和纬度圈相互交错,形成了一个完整的坐标网络。

就像平面直角坐标系以x轴、y轴为基线一样,球面坐标系也需要基圈。地理坐标系中纬度的基圈是赤道(0°纬度),经度的基线为本初子午线(半圆弧,0°经度)。那么在天球上建立坐标系是不是也可参考一下地理坐标系的建立呢?

 

我们把地球的赤道平面平面无限扩展,与天球相割,就会得到一个大圆圈,这个大圆圈就是天球赤道,简称天赤道,并把天赤道作为天球上的“纬度”的基圈。我们把这个天球上的“纬度”叫做“赤纬”。这个坐标系,我们叫做“赤道坐标系”。

 

赤纬从天赤道向北天极和南天极度量,正负各90°。在地理坐标系中说纬度,我们都要说是“北纬”还是“南纬”,而在天球坐标系,我们用正负号来区分。

天球仪上的白圈就是天赤道
有了“纬度”,还需要有“经度”。我们把赤道坐标系中的“经度”叫做“赤经”。赤经与赤纬的关系和地理坐标系中是很相似的。所有赤经线都交于两个点,这两个点,也就是地球自转轴与天球的交点,就是北天极和南天极。

 

我们已经规定了天赤道为0°赤纬,那么零赤经在哪呢?

 

我们都知道地球绕着太阳公转,公转的目视效果,也就是太阳在天球上不断运行,一年在天球上转了一圈。注意刚刚所说的“运行”,其实是一种目视效果。一年之中,太阳有两次会刚好运行到天赤道上,这两个时间点,就是春分和秋分。春分这一刻太阳中心在天球赤道上的位置,就是春分点。

 

我们规定:过春分点的赤经线即为赤经的基线,也就是零赤经。

图片来源:《天文学新概论》

赤经的表达方法和地理坐标系就不一样了。赤经用的单位不是“度、分、秒(°,’,”)”,而是“时、分、秒(h,m,s)”。这又是什么意思呢?简单地说,就是360°分成24份,每一份就是1h。换句话说,1h=15°。相应的,1m=15’,1s=15’’。赤经从0赤经沿与天体东升西落相反的方向度量,从0h到24h。

北天极附近的赤经赤纬网,图片来源:stellarium
赤道坐标系的优点是,它相对于天球上的恒星背景几乎是相互静止的。换句话说,用赤道坐标系来描述恒星的位置,数值是基本不变的。

 

细心的朋友估计已经看到了上一段的“几乎”和“基本”两个词。实际上,恒星的赤经赤纬的值确实是在变化的。赤经和赤纬的基点——春分点,每年都要沿着与太阳运行相反的方向运动约50″。在上古时期,春分点位于白羊座内。而现在,春分点已经运行到了双鱼座里,并且仍在不断向宝瓶座靠近。可以想象,古时的恒星的赤经赤纬值和现在是大不相同的。

 

如果你感兴趣用360°除以50″,你会发现约等于25900。这个数字你是否有印象呢?没错!我们在《闲话北极星》中已经说了,一个岁差周期约为25800年。岁差不仅会使得北极点移动,也会使得春分点移动,使得赤道坐标系的基点不断改变。因此,岁差也叫“二分点的进动”。

 

尽管恒星的赤经赤纬值是在不断变化的,但是对于天文爱好者来说,这几乎是可以忽略的。在可以忽略的范围内,我们可以认为,恒星相对于赤道坐标系是静止的。

 

实际上,我们刚刚所讲的坐标系全称是“第二赤道坐标系”。那么有没有“第一赤道坐标系”呢?确实是有的。不过第一赤道坐标系对于天文爱好者来说是很少用的,我们就不详细说了。

 

我们可以看一下几大亮星在赤道坐标系中的坐标:

天狼:赤经06h 45m 55s,赤纬 -16°43’53”

老人:赤经06h 24m 20s,赤纬 -52°42’14”

大角:赤经14h 16m 26s,赤纬 +19°06’40”

织女一:赤经 18h 37m 29s,赤纬 +38°48’16”

五车二:赤经 05h 17m 57s,赤纬 +46°00’48”

(数据来源:Sky Guide)

在一些比较专业的表述中,赤经和赤纬都用英文简称,分别是RA和DE。

 

我们再来看看整个赤道坐标系,它实际上是二维的坐标系。换句话说,我们省略了距离一维。

 

尽管赤道坐标系相对于恒星来说数值几乎是固定的,但我们看刚才那个表,你能立刻想到这五颗星现在是在天空还是已经落下,在天空又具体在哪个位置吗?另外,赤道坐标系也不能用于准确判断节气点。我们还有另外两种常用的天球坐标系,但这期就先讲到这了,咱们下期再聊!

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