認識天球坐標

認識天球坐標 (2010-03-12 13:13:08) 對於天文初學者來說，他們也許會感到奇怪，為什麼離我們上千光年遠的恆星的位置會被束縛在一個類似地球經緯度的系統中？天球坐標系統，雖然在現代天文學中得到廣泛使用，但是它卻是基於我們祖先錯誤的世界觀所建立的。他們認為地球是靜止的，而且位於宇宙的中心。同時他們相信天空是一個中空的球面覆蓋在地球上，就像一個巨大的圓頂。早期的天文學家認為天球應該是一個完整的球面，因為他們從來沒有見到它的邊緣。當天球的一部分從東邊升起時，另一部分則必定在西方地平線之下。在任何時間，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樣子。不必為我們其實是在銀河系的一條旋臂上饒銀河系中心轉動而擔心。在天文學中，現象與本質和人類以往的經驗大不相同。也許這是這個原因，天文學家可以在兩者之間安然處之——只要保持兩者的合理關係。從地球上我們通過望遠鏡來觀測位於天球內表面的恆星，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。但這是假象。從地球到天空一旦你想說明球面上一點的位置，你就得用到球面坐標。在地球上，它們被稱為經度和緯度。想像一下，經線和緯線從地球向外膨脹到達天球的內表面。這時它們分別又有了新的名字——赤經和赤緯。位於地球赤道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°，那麼北天極赤緯+90°就位於你的頭頂。在其他任何緯度——以位於北緯39°的堪薩斯城為例——相應的赤緯線會穿過你的頭頂：也就是赤緯+39°線（按照習慣，位於天赤道以北、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，因此會有一天，織女星會在堪薩斯城所在緯線的正上訪穿過。小時和度當然織女星並沒有運動，是地球在轉動。但是在這兒我們討論的是視運動。看起來，天球圍繞著我們以24小時為周期轉動。這種日運動是以赤經來度量的。與以度（degree）為單位的地球經度不同，赤經通常以「小時」（hour）為單位，從0h到24h環繞天空一周。這是一種對圓周不同的分割方法。1小時對應於圓周的1/24或者15°。用「小時」劃分的好處是，由於地球的旋轉，我們可以看到每小時與赤經的分度相應的天空。這就使得計算天體升起和落下的時刻變得相對的容易。恆星就變成了一個巨大的時鐘。從古巴比倫開始，人們以60為單位又將度和小時劃分成更小的單位。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"。一台好的望遠鏡在良好的天氣條件下可以分辨出天球上小至1"的細節。與之相比，地球上經度的1"則相當於30.8米。因此，假如地球是透明的而且在地心處有一台望遠鏡，你就能分辨出地球表面房子大小的物體。因為赤緯以「度」為單位，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（曆元2000.0）為+39°47"01"。以「小時」為單位的赤經則被進一步劃分成「分」（minute）和「秒」（second），沒有「角」（arc）。1小時包含60分，寫作60m，1分包含60秒，寫作60s。織女星的赤經為18h 36m 56.3s。請注意不同的分和秒在這裡有不同記號。它們是有本質區別的。因為1h包含15°，因此1m包含有15"，1s含有15"。起始點任何一個坐標系都具有值為零的緯線，無論它被稱為緯線、赤緯或是其他什麼。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線，它的值為0°——在天空中赤經也是如此。所有的經線或是赤經都具有同等的地位。因此我們可以定義任何一根經線為0°經線。在地球上，很久以前就定義穿過位於英國格林尼治皇家天文台位置測量望遠鏡下黃銅板上刻線的經線為0°經線。在天上，0h被定義為穿過地球繞太陽公轉的平面（黃道面）與位於雙魚座天赤道相交於一點的赤經線。由於歷史的原因，這一點被稱為春分點。歲差大約2000年前，當春分點被命名時它位於白羊座。由於歲差（在剛體力學中被稱為進動）——一種沿著地軸方向的緩慢運動，春分點進入了雙魚座。以一定的角度旋轉陀螺，它也存在進動。它的軸會繞著桌面施加於陀螺頂點的支持力畫圓。相同的，由於月球、太陽施加的潮汐力，地球也存在緩慢的進動——長期的進動成為歲差。因此我們可以發現，北天極（現在位於北極星附近）會繞著北黃極沒26000年畫一個圓。這樣，運動的天極就會拖動整個天球坐標系統——整個赤經赤緯也會隨之改變。與普通的觀點相反，歲差並不會影響地球上的經度和緯度，地球上的北極不會運動到一個新的位置（至少在我們所談及的時間跨度內不會很大），它不會使海象享受到日光浴，這一點大可放心。唯一值得注意的是，天球坐標相對於恆星在運動。例如，在12000年內，織女星就會變成北極星，而獵戶座也會變成夏季星座，而它現在冬季星座。由於坐標線會以這樣的方式運動，所以一顆恆星的赤經、赤緯值會發生連續的變化。為了確定一顆恆星的位置，我們需要註明所使用的赤經赤緯的時間。現在的標準是「曆元2000.0」，是「從2000年開始的赤經赤緯」的縮寫。先前的標準則是基於曆元1950.0的。對於運動的天體，例如太陽、月球和行星的赤經、赤緯值通常註明「曆元日期」：以便於實時記錄。然而，業餘天文學家需要考慮歲差和情況是極為罕見的。從1950年到2000年，天球坐標沿著黃道運動了僅0.7°，比許多望遠鏡的低倍率視場還要小。而且這一數值僅僅是對於黃道自身而言的。在其他地方，總的移動量就更小了。進動會造成什麼後果呢？它會使恆星的赤經值逐年增加。而對於赤經，只要記住越往東其值越大就行了。
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