普通天文学/天球

普通天文学
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如果你从一个空旷的田野里抬头仰望黑暗的天空，你就会有站在一个扁平的盘子上，被一个巨大的圆顶包围的感觉。对于我们在天空中看到的遥远物体，我们的深度感知会失效。这使得所有恒星看起来都具有相同的距离。

恒星在夜间似乎一起在天空中移动，从东方升起，在西方落下，就好像它们固定在一个圆顶的内侧一样。由于这个原因，许多古代文明认为地球确实被一个圆顶包围着。直到几个世纪前，天文学家才认识到，恒星实际上距离我们非常遥远，散布在银河系中，而不是固定在一个巨大球体的内侧。

然而，古老的观点仍然有用。天球的概念提供了一种简单的方法来思考地球上看到的恒星的外观，而无需使用更真实的宇宙模型。使用天球为描述我们从地球上看到的东西提供了一种方便的方法。当我们提到天球时，我们想象我们看到的天空中的一切都设置在一个围绕地球的巨大球形外壳的内侧。我们将使用天球的参考点作为基础，建立几个坐标系，用这些坐标系来描述天体位置彼此之间的关系以及与我们之间的关系。

天球是一个包围地球的假想空心球体。球体没有确定的尺寸。它可以被认为是无限的（或至少非常大），中心有一个无限小的地球。观察者总是被认为处于天球的中心，即使观察者并不在地球的中心。我们在恒星中的特定位置让我们有了特定的视角。更亮的恒星看起来更近；几乎处于相同方向的恒星看起来彼此靠近，即使它们之间相隔很远。我们对宇宙的第一个也是最基本的观察完全剥夺了任何深度感知。

天球可以从两种不同的视角中进行观察。在一种视角中，天球本身保持静止，而地球在其中旋转。在另一种视角中，地球保持静止，天球每天旋转一次。对于地球上的观察者来说，这两种视角看起来是一样的。当我们思考我们预期如何感知地球的旋转时，我们可以使用第二个视角来指导我们。

我们看到的天空中的一切，我们都看到了它们在天球上的投影。例如，猎户座中的恒星，它们之间的距离各不相同，但我们在地球上无法察觉到这些差异。如果我们从任何其他角度观察猎户座，或者如果我们可以感知深度，那么猎户座的图案就会消失，因为恒星会以不同的方式投影。

由于深度感知的缺失，尺寸的测量变得更加困难。太阳和月亮在天空中看起来大小差不多，尽管太阳实际上要大得多。太阳看起来和月亮一样大，是因为太阳距离我们更远，仅仅是因为太阳的直径是月亮的 400 倍，并且距离月亮的 400 倍。

虽然我们不能轻易测量天体的物理大小，但我们可以测量它们的视大小。我们通过测量物体在天空中的张角来做到这一点。例如，太阳和月亮的角直径为半度。天空中大多数物体都比这小，所以使用更小的角度度量通常更方便。为此，天文学家使用角分和角秒。一度有六十角分，一角分有六十角秒。这么小的角度接近或超过了普通人类视觉的极限，但在使用望远镜进行观测时，它们就变得有用。

对于休闲的观星者来说，观察者会考虑更大的角度。你在观星时可以用手作为尺子轻松测量这些角度。从手臂长度来看，你的食指宽度约为一度，你的手掌约为十度宽，你的整个指距，包括你的拇指，约为 25 度。这对于估计一颗恒星在天空中位置或测量两颗恒星之间的角距离很有用。

虽然恒星在夜空中随着天球一起运动，但测量一个物体在穿越太空的过程中在天球上的运动被称为自行，单位为每年角秒。

为了开始思考从地球上看到的天空，我们将识别几个固定在地面上的参考点，这些参考点对天文学家很重要。其中一些是人们从日常经验中广为人知的。

大圆是指在地球中心作为中心的任何球体（包括天球）上绘制的圆圈。在地球上，赤道就是一个大圆的例子。其他纬线不是大圆，因为它们的中心不在地球中心。经线都是大圆，因为它们总是以地球中心为中心。大圆是可以在球体上绘制的最大可能的圆圈。
地平线是地球和天空相交的地方。它是天空被地球遮挡部分和可见部分之间的边界。当地平线和理想地平线之间存在区别：当地平线由观察者位置特有的真实物体定义，例如树木或建筑物；理想地平线是指如果地面完全平坦且没有障碍物，当地平线应该是什么样的。对于假设或理想情况，天文学家使用理想地平线。
一颗恒星的高度是指它与地平线之间的夹角。
基点是指位于地平线上正北、正南、正东和正西的点。例如，北点是指地平线上正北的点。
天顶是指天空中正上方的点。任何地平线上的点都必然距离天顶 90 度。
子午线是指通过北点、南点和天顶并位于天球上的大圆。

对于任何观察者来说，无论其位置如何，这些标记都保持相对于观察者处于相同的位置。天顶永远在正上方，地平线永远是水平的，等等。站在地球不同位置的观察者将看到不同的天空景象。在新加坡的观察者可能会看到太阳在天顶，而纽约的观察者则完全看不到太阳。这些参考点会随着观察者位置的变化而变化。

也有一些固定在天空中的参考点。这些固定参考点相对于恒星没有移动，但不同的观察者会看到它们在不同的位置。它们是固定坐标系的基础，我们将在稍后讨论。现在，我们将只识别其中两个最有用的参考点——天极和天球赤道。

天球赤道是地球赤道延伸到天球上的部分。如果你站在地球赤道上，天球赤道将永远在你的正上方，并穿过天顶。它将从东点一直向上延伸到天顶，然后再次向下延伸到西点。无论你站在地球上的哪个位置，天球赤道都将与地平线上的东点和西点相交。你越靠近赤道，天球赤道就越靠近天顶。在北极或南极，天球赤道与地平线重合。

与天球赤道一样，天极是地球极点延伸到天球上的部分。北极向外延伸到太空中，形成北天极。同样，南极形成了南天极。在北半球，只有北天极是可见的，因为南天极在地平线以下。在南半球，只有南天极是可见的。在赤道上，北天极和南天极将位于子午线与地平线相交的地方。

北极星被称为“北极星”。它可以被找到，位于小熊座“柄”上的最后一颗恒星。大熊座“斗”的最后两颗恒星被称为“守卫者”（或“指示星”），指向天空中的北极星。北极星很特别，因为地球的北极几乎完全指向它。这意味着对于任何观察者来说，北极星将永远出现在正北方向，并且它将永远停留在天空中相同的位置。

通常，初学者会认为北极星一定是一颗非常明亮或突出的恒星。实际上并非如此。北极星之所以非凡，仅仅是因为它几乎完全与地球的自转轴对齐。由于这个原因，北极星在天空中的位置几乎总是保持不变。例如，莎士比亚在戏剧《尤利乌斯·凯撒》中提到了北极星

我像北极星一样恒久,

它真实的固定和静止的性质,

在整个天空中没有第二颗恒星能够与之相比。

尤利乌斯·凯撒，威廉·莎士比亚的《尤利乌斯·凯撒》，III.1.65-68

尽管必须指出莎士比亚实际上弄错了。在莎士比亚写《尤利乌斯·凯撒》的时候，北极星确实是北极星，但在尤利乌斯·凯撒的时代，北极星并不是北极星。

北极星永远停留在正北方向的相同位置这一事实使它声名大噪。它也使北极星成为导航的实用参考点——利用几何学，很容易证明北极星或天极与地平线所成的角度等于观察者的纬度。在图中，角度 $\angle d$ 是观察者的纬度。极点和赤道成直角，所以

\angle d+\angle a=90^{\circ }.

或者 $\angle a=90^{\circ }-\angle d.$ 由于三角形内角和为 180°，我们知道

\angle a+\angle b+90^{\circ }=180^{\circ }.

当我们将这两个方程结合起来，我们有 $\angle b=\angle d$ 。角 $\angle b$ 和 $\angle c$ 是内错角，所以

\angle b=\angle c

以及

\angle d=\angle c,

这意味着地平线与极轴之间的角度与观测者的纬度相同。这一事实曾被海上的航海家使用，他们可以通过测量北极星的位置来轻松地找到他们的纬度。

就像天文学中的许多事物一样，天球很难想象，因为它具有三维几何形状。参观天文馆或在夜空中度过一段时间可以帮助您建立对天球的概念理解。如果没有这些机会，您可以尝试为自己绘制类似于本节开头的那样的图。

要开始绘制一个类似于上面的天球，您只需要知道观测者的纬度。然后想象一下，观测者站立的地方是“世界之巅”；在地球上画一个圆，然后画一个站在顶部的观测者。现在在这个圆周围画一个更大的圆；这代表着天球。

由于我们的观测者总是位于地球的顶部，因此相对于地面定义的天球特征将始终在天球上的相同位置。天顶是观测者头顶正上方，位于天球顶部的点。

下一个重要的参考点是地平线。地平线在图上将是水平的。请记住，天球与地球的大小无关，无论您如何绘制它。在地平线穿过天球的中间，使它的中心与地球的中心相同。地平线等标记总是理想化的，因此，无论观测者的天空视图是否实际上在由地平线标记的位置被切断，都无关紧要。

我们想要放置的下一个参考点是北天极和南天极。考虑极轴的指向，以确定观测者的纬度。如果观测者位于赤道，则极轴应该水平穿过地球。如果观测者位于某个极点，则极轴应该垂直穿过地球。将地球的极轴延伸到天球，并将交点标记为北天极和南天极。

如果我们在北半球，那么北天极将位于地平线上最北端的点之上，南天极将位于天球的另一侧，在地平线之下。如果我们在南半球，情况则相反。请记住，要检查地平线与极轴形成的角度是否与观测者的纬度大致相同。

对于任何给定的纬度，都可以构建一个适当的天球。首先，考虑天空相对于地球。取南北极，并将它们延伸到天空；这些成为南北天极。地球的赤道可以向外投影以形成天球赤道。我们将得到一个类似于上面图片的东西。

完成之后，您应该有一个与本节开头非常相似的天球。

天球是许多坐标系应用的基础。例如，地平线和天球子午线共同构成参考圆，以根据高度和方位角给出恒星的位置，使人们更容易在夜空中找到它们。天球也是描述太阳运动的自然系统。然而，为了探索这些概念，有必要了解天球对于给定纬度的观测者如何变化。当我们考虑地球的日常自转时，我们将看到您对日常运动的感知在很大程度上取决于您的纬度。

当您观察天空时，您的脑海中会自然地识别出明显的模式。北斗七星和猎户座是两个非常突出的恒星群，其他恒星群在整个天球上都很突出。这些**星群**是夜空的指示标志。当您观察天空时，可以使用它们来确定方位。夜空的外观在几千年来一直保持着基本不变。全球许多古代文明都创造了关于天空的故事。

通常，恒星群被称为**星座**。星座在天文学中有着悠久的历史，可以追溯到几千年前。20 世纪初，国际天文学联合会（一个得到广泛认可的天文学家组织）正式建立了一份星座列表。国际天文学联合会确定了将在天文学中使用的星座，并定义了特定的边界，以明确地确定每个恒星属于哪个星座。很容易学习一些最突出的星座，这样您就可以在夜空中找到方向。从一些易于找到的地标开始，您可以使用熟悉的恒星作为指示标志来找到其他星座。

天空中另一个有用的指南是**黄道**。黄道是天空中太阳绘制的假想线。黄道与地球绕太阳运行的轨道平面一致；因此，所有主要行星和月球都应该相对靠近黄道或位于黄道上，因为太阳系大部分是扁平的。此外，在黄道上还有 12 个黄道星座。因此，通过在夜空中找到一些主要的黄道星座，可以确定他们看到的某些天体是否是行星，方法是看它们是否位于黄道上。

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