認(rèn)識(shí)天球坐標(biāo) (2010-03-12 13:13:08)
對(duì)于天文初學(xué)者來說，他們也許會(huì)感到奇怪，為什么離我們上千光年遠(yuǎn)的恒星的位置會(huì)被束縛在一個(gè)類似地球經(jīng)緯度的系統(tǒng)中？
天球坐標(biāo)系統(tǒng)，雖然在現(xiàn)代天文學(xué)中得到廣泛使用，但是它卻是基于我們祖先錯(cuò)誤的世界觀所建立的。他們認(rèn)為地球是靜止的，而且位于宇宙的中心。同時(shí)他們相信天空是一個(gè)中空的球面覆蓋在地球上，就像一個(gè)巨大的圓頂。
早期的天文學(xué)家認(rèn)為天球應(yīng)該是一個(gè)完整的球面，因?yàn)樗麄儚膩頉]有見到它的邊緣。當(dāng)天球的一部分從東邊升起時(shí)，另一部分則必定在西方地平線之下。在任何時(shí)間，天球總是有一半在地平線之上，另一半在地平線下方。
甚至今天我們看到的宇宙仍是這個(gè)樣子。不必為我們其實(shí)是在銀河系的一條旋臂上饒銀河系中心轉(zhuǎn)動(dòng)而擔(dān)心。在天文學(xué)中，現(xiàn)象與本質(zhì)和人類以往的經(jīng)驗(yàn)大不相同。也許這是這個(gè)原因，天文學(xué)家可以在兩者之間安然處之——只要保持兩者的合理關(guān)系。從地球上我們通過望遠(yuǎn)鏡來觀測位于天球內(nèi)表面的恒星，天球具有無窮大的半徑而且看上去在繞著靜止的地球旋轉(zhuǎn)。但這是假象。
從地球到天空
一旦你想說明球面上一點(diǎn)的位置，你就得用到球面坐標(biāo)。在地球上，它們被稱為經(jīng)度和緯度。
想象一下，經(jīng)線和緯線從地球向外膨脹到達(dá)天球的內(nèi)表面。這時(shí)它們分別又有了新的名字——赤經(jīng)和赤緯。
位于地球赤道0°緯線之外的就是天赤道。假如你站在地球赤道上，天赤道將穿過你的頭頂。
如果站在北極，北緯90°，那么北天極赤緯+90°就位于你的頭頂。
在其他任何緯度——以位于北緯39°的堪薩斯城為例——相應(yīng)的赤緯線會(huì)穿過你的頭頂：也就是赤緯+39°線（按照習(xí)慣，位于天赤道以北、以南的赤緯用+、-表示而不是用地球上用的N和S）。這正好與織女星的赤緯相同，因此會(huì)有一天，織女星會(huì)在堪薩斯城所在緯線的正上訪穿過。
小時(shí)和度
當(dāng)然織女星并沒有運(yùn)動(dòng)，是地球在轉(zhuǎn)動(dòng)。但是在這兒我們討論的是視運(yùn)動(dòng)?？雌饋?，天球圍繞著我們以24小時(shí)為周期轉(zhuǎn)動(dòng)。
這種日運(yùn)動(dòng)是以赤經(jīng)來度量的。與以度（degree）為單位的地球經(jīng)度不同，赤經(jīng)通常以“小時(shí)”（hour）為單位，從0h到24h環(huán)繞天空一周。這是一種對(duì)圓周不同的分割方法。1小時(shí)對(duì)應(yīng)于圓周的1/24或者15°。
用“小時(shí)”劃分的好處是，由于地球的旋轉(zhuǎn)，我們可以看到每小時(shí)與赤經(jīng)的分度相應(yīng)的天空。這就使得計(jì)算天體升起和落下的時(shí)刻變得相對(duì)的容易。恒星就變成了一個(gè)巨大的時(shí)鐘。
從古巴比倫開始，人們以60為單位又將度和小時(shí)劃分成更小的單位。1°中包含了60角分（arcminute），寫作60'。1角分中含有60角秒（arcsecond），寫作60"。一臺(tái)好的望遠(yuǎn)鏡在良好的天氣條件下可以分辨出天球上小至1"的細(xì)節(jié)。與之相比，地球上經(jīng)度的1"則相當(dāng)于30.8米。因此，假如地球是透明的而且在地心處有一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，你就能分辨出地球表面房子大小的物體。
因?yàn)槌嗑曇浴岸取睘閱挝?，按照前面講的，其更小的單位就是“角分”和“角秒”。例如，織女星的確切赤緯（歷元2000.0）為+39°47'01"。
以“小時(shí)”為單位的赤經(jīng)則被進(jìn)一步劃分成“分”（minute）和“秒”（second），沒有“角”（arc）。1小時(shí)包含60分，寫作60m，1分包含60秒，寫作60s?？椗堑某嘟?jīng)為18h 36m 56.3s。
請(qǐng)注意不同的分和秒在這里有不同記號(hào)。它們是有本質(zhì)區(qū)別的。因?yàn)?h包含15°，因此1m包含有15'，1s含有15"。
起始點(diǎn)
任何一個(gè)坐標(biāo)系都具有值為零的緯線，無論它被稱為緯線、赤緯或是其他什么。這一參考線就是赤道。沒有其他的緯線具有這樣特殊的地位。
但是，卻沒有這樣的一條天然的經(jīng)線，它的值為0°——在天空中赤經(jīng)也是如此。所有的經(jīng)線或是赤經(jīng)都具有同等的地位。因此我們可以定義任何一根經(jīng)線為0°經(jīng)線。在地球上，很久以前就定義穿過位于英國格林尼治皇家天文臺(tái)位置測量望遠(yuǎn)鏡下黃銅板上刻線的經(jīng)線為0°經(jīng)線。在天上，0h被定義為穿過地球繞太陽公轉(zhuǎn)的平面（黃道面）與位于雙魚座天赤道相交于一點(diǎn)的赤經(jīng)線。由于歷史的原因，這一點(diǎn)被稱為春分點(diǎn)。
歲差
大約2000年前，當(dāng)春分點(diǎn)被命名時(shí)它位于白羊座。由于歲差（在剛體力學(xué)中被稱為進(jìn)動(dòng)）——一種沿著地軸方向的緩慢運(yùn)動(dòng)，春分點(diǎn)進(jìn)入了雙魚座。
以一定的角度旋轉(zhuǎn)陀螺，它也存在進(jìn)動(dòng)。它的軸會(huì)繞著桌面施加于陀螺頂點(diǎn)的支持力畫圓。相同的，由于月球、太陽施加的潮汐力，地球也存在緩慢的進(jìn)動(dòng)——長期的進(jìn)動(dòng)成為歲差。
因此我們可以發(fā)現(xiàn)，北天極（現(xiàn)在位于北極星附近）會(huì)繞著北黃極沒26000年畫一個(gè)圓。這樣，運(yùn)動(dòng)的天極就會(huì)拖動(dòng)整個(gè)天球坐標(biāo)系統(tǒng)——整個(gè)赤經(jīng)赤緯也會(huì)隨之改變。
與普通的觀點(diǎn)相反，歲差并不會(huì)影響地球上的經(jīng)度和緯度，地球上的北極不會(huì)運(yùn)動(dòng)到一個(gè)新的位置（至少在我們所談及的時(shí)間跨度內(nèi)不會(huì)很大），它不會(huì)使海象享受到日光浴，這一點(diǎn)大可放心。唯一值得注意的是，天球坐標(biāo)相對(duì)于恒星在運(yùn)動(dòng)。例如，在12000年內(nèi)，織女星就會(huì)變成北極星，而獵戶座也會(huì)變成夏季星座，而它現(xiàn)在冬季星座。
由于坐標(biāo)線會(huì)以這樣的方式運(yùn)動(dòng)，所以一顆恒星的赤經(jīng)、赤緯值會(huì)發(fā)生連續(xù)的變化。為了確定一顆恒星的位置，我們需要注明所使用的赤經(jīng)赤緯的時(shí)間?，F(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)是“歷元2000.0”，是“從2000年開始的赤經(jīng)赤緯”的縮寫。先前的標(biāo)準(zhǔn)則是基于歷元1950.0的。
對(duì)于運(yùn)動(dòng)的天體，例如太陽、月球和行星的赤經(jīng)、赤緯值通常注明“歷元日期”：以便于實(shí)時(shí)記錄。
然而，業(yè)余天文學(xué)家需要考慮歲差和情況是極為罕見的。從1950年到2000年，天球坐標(biāo)沿著黃道運(yùn)動(dòng)了僅0.7°，比許多望遠(yuǎn)鏡的低倍率視場還要小。而且這一數(shù)值僅僅是對(duì)于黃道自身而言的。在其他地方，總的移動(dòng)量就更小了。
進(jìn)動(dòng)會(huì)造成什么后果呢？它會(huì)使恒星的赤經(jīng)值逐年增加。而對(duì)于赤經(jīng)，只要記住越往東其值越大就行了。
