普通天文學/天球

普通天文學
科學方法	天球	座標系

如果你從一個空曠的田野裡抬頭仰望黑暗的天空，你就會有站在一個扁平的盤子上，被一個巨大的圓頂包圍的感覺。對於我們在天空中看到的遙遠物體，我們的深度感知會失效。這使得所有恆星看起來都具有相同的距離。

恆星在夜間似乎一起在天空中移動，從東方升起，在西方落下，就好像它們固定在一個圓頂的內側一樣。由於這個原因，許多古代文明認為地球確實被一個圓頂包圍著。直到幾個世紀前，天文學家才認識到，恆星實際上距離我們非常遙遠，散佈在銀河系中，而不是固定在一個巨大球體的內側。

然而，古老的觀點仍然有用。天球的概念提供了一種簡單的方法來思考地球上看到的恆星的外觀，而無需使用更真實的宇宙模型。使用天球為描述我們從地球上看到的東西提供了一種方便的方法。當我們提到天球時，我們想象我們看到的天空中的一切都設定在一個圍繞地球的巨大球形外殼的內側。我們將使用天球的參考點作為基礎，建立幾個座標系，用這些座標系來描述天體位置彼此之間的關係以及與我們之間的關係。

天球是一個包圍地球的假想空心球體。球體沒有確定的尺寸。它可以被認為是無限的（或至少非常大），中心有一個無限小的地球。觀察者總是被認為處於天球的中心，即使觀察者並不在地球的中心。我們在恆星中的特定位置讓我們有了特定的視角。更亮的恆星看起來更近；幾乎處於相同方向的恆星看起來彼此靠近，即使它們之間相隔很遠。我們對宇宙的第一個也是最基本的觀察完全剝奪了任何深度感知。

天球可以從兩種不同的視角中進行觀察。在一種視角中，天球本身保持靜止，而地球在其中旋轉。在另一種視角中，地球保持靜止，天球每天旋轉一次。對於地球上的觀察者來說，這兩種視角看起來是一樣的。當我們思考我們預期如何感知地球的旋轉時，我們可以使用第二個視角來指導我們。

我們看到的天空中的一切，我們都看到了它們在天球上的投影。例如，獵戶座中的恆星，它們之間的距離各不相同，但我們在地球上無法察覺到這些差異。如果我們從任何其他角度觀察獵戶座，或者如果我們可以感知深度，那麼獵戶座的圖案就會消失，因為恆星會以不同的方式投影。

由於深度感知的缺失，尺寸的測量變得更加困難。太陽和月亮在天空中看起來大小差不多，儘管太陽實際上要大得多。太陽看起來和月亮一樣大，是因為太陽距離我們更遠，僅僅是因為太陽的直徑是月亮的 400 倍，並且距離月亮的 400 倍。

雖然我們不能輕易測量天體的物理大小，但我們可以測量它們的視大小。我們透過測量物體在天空中的張角來做到這一點。例如，太陽和月亮的角直徑為半度。天空中大多數物體都比這小，所以使用更小的角度度量通常更方便。為此，天文學家使用角分和角秒。一度有六十角分，一角分有六十角秒。這麼小的角度接近或超過了普通人類視覺的極限，但在使用望遠鏡進行觀測時，它們就變得有用。

對於休閒的觀星者來說，觀察者會考慮更大的角度。你在觀星時可以用手作為尺子輕鬆測量這些角度。從手臂長度來看，你的食指寬度約為一度，你的手掌約為十度寬，你的整個指距，包括你的拇指，約為 25 度。這對於估計一顆恆星在天空中位置或測量兩顆恆星之間的角距離很有用。

雖然恆星在夜空中隨著天球一起運動，但測量一個物體在穿越太空的過程中在天球上的運動被稱為自行，單位為每年角秒。

為了開始思考從地球上看到的天空，我們將識別幾個固定在地面上的參考點，這些參考點對天文學家很重要。其中一些是人們從日常經驗中廣為人知的。

大圓是指在地球中心作為中心的任何球體（包括天球）上繪製的圓圈。在地球上，赤道就是一個大圓的例子。其他緯線不是大圓，因為它們的中心不在地球中心。經線都是大圓，因為它們總是以地球中心為中心。大圓是可以在球體上繪製的最大可能的圓圈。
地平線是地球和天空相交的地方。它是天空被地球遮擋部分和可見部分之間的邊界。當地平線和理想地平線之間存在區別：當地平線由觀察者位置特有的真實物體定義，例如樹木或建築物；理想地平線是指如果地面完全平坦且沒有障礙物，當地平線應該是什麼樣的。對於假設或理想情況，天文學家使用理想地平線。
一顆恆星的高度是指它與地平線之間的夾角。
基點是指位於地平線上正北、正南、正東和正西的點。例如，北點是指地平線上正北的點。
天頂是指天空中正上方的點。任何地平線上的點都必然距離天頂 90 度。
子午線是指透過北點、南點和天頂並位於天球上的大圓。

對於任何觀察者來說，無論其位置如何，這些標記都保持相對於觀察者處於相同的位置。天頂永遠在正上方，地平線永遠是水平的，等等。站在地球不同位置的觀察者將看到不同的天空景象。在新加坡的觀察者可能會看到太陽在天頂，而紐約的觀察者則完全看不到太陽。這些參考點會隨著觀察者位置的變化而變化。

也有一些固定在天空中的參考點。這些固定參考點相對於恆星沒有移動，但不同的觀察者會看到它們在不同的位置。它們是固定座標系的基礎，我們將在稍後討論。現在，我們將只識別其中兩個最有用的參考點——天極和天球赤道。

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，天球赤道將永遠在你的正上方，並穿過天頂。它將從東點一直向上延伸到天頂，然後再次向下延伸到西點。無論你站在地球上的哪個位置，天球赤道都將與地平線上的東點和西點相交。你越靠近赤道，天球赤道就越靠近天頂。在北極或南極，天球赤道與地平線重合。

與天球赤道一樣，天極是地球極點延伸到天球上的部分。北極向外延伸到太空中，形成北天極。同樣，南極形成了南天極。在北半球，只有北天極是可見的，因為南天極在地平線以下。在南半球，只有南天極是可見的。在赤道上，北天極和南天極將位於子午線與地平線相交的地方。

北極星被稱為“北極星”。它可以被找到，位於小熊座“柄”上的最後一顆恆星。大熊座“鬥”的最後兩顆恆星被稱為“守衛者”（或“指示星”），指向天空中的北極星。北極星很特別，因為地球的北極幾乎完全指向它。這意味著對於任何觀察者來說，北極星將永遠出現在正北方向，並且它將永遠停留在天空中相同的位置。

通常，初學者會認為北極星一定是一顆非常明亮或突出的恆星。實際上並非如此。北極星之所以非凡，僅僅是因為它幾乎完全與地球的自轉軸對齊。由於這個原因，北極星在天空中的位置幾乎總是保持不變。例如，莎士比亞在戲劇《尤利烏斯·凱撒》中提到了北極星

我像北極星一樣恆久,

它真實的固定和靜止的性質,

在整個天空中沒有第二顆恆星能夠與之相比。

尤利烏斯·凱撒，威廉·莎士比亞的《尤利烏斯·凱撒》，III.1.65-68

儘管必須指出莎士比亞實際上弄錯了。在莎士比亞寫《尤利烏斯·凱撒》的時候，北極星確實是北極星，但在尤利烏斯·凱撒的時代，北極星並不是北極星。

北極星永遠停留在正北方向的相同位置這一事實使它聲名大噪。它也使北極星成為導航的實用參考點——利用幾何學，很容易證明北極星或天極與地平線所成的角度等於觀察者的緯度。在圖中，角度 $\angle d$ 是觀察者的緯度。極點和赤道成直角，所以

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

或者 $\angle a=90^{\circ }-\angle d.$ 由於三角形內角和為 180°，我們知道

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

當我們將這兩個方程結合起來，我們有 $\angle b=\angle d$ 。角 $\angle b$ 和 $\angle c$ 是內錯角，所以

\angle b=\angle c

以及

\angle d=\angle c,

這意味著地平線與極軸之間的角度與觀測者的緯度相同。這一事實曾被海上的航海家使用，他們可以透過測量北極星的位置來輕鬆地找到他們的緯度。

就像天文學中的許多事物一樣，天球很難想象，因為它具有三維幾何形狀。參觀天文館或在夜空中度過一段時間可以幫助您建立對天球的概念理解。如果沒有這些機會，您可以嘗試為自己繪製類似於本節開頭的那樣的圖。

要開始繪製一個類似於上面的天球，您只需要知道觀測者的緯度。然後想象一下，觀測者站立的地方是“世界之巔”；在地球上畫一個圓，然後畫一個站在頂部的觀測者。現在在這個圓周圍畫一個更大的圓；這代表著天球。

由於我們的觀測者總是位於地球的頂部，因此相對於地面定義的天球特徵將始終在天球上的相同位置。天頂是觀測者頭頂正上方，位於天球頂部的點。

下一個重要的參考點是地平線。地平線在圖上將是水平的。請記住，天球與地球的大小無關，無論您如何繪製它。在地平線穿過天球的中間，使它的中心與地球的中心相同。地平線等標記總是理想化的，因此，無論觀測者的天空檢視是否實際上在由地平線標記的位置被切斷，都無關緊要。

我們想要放置的下一個參考點是北天極和南天極。考慮極軸的指向，以確定觀測者的緯度。如果觀測者位於赤道，則極軸應該水平穿過地球。如果觀測者位於某個極點，則極軸應該垂直穿過地球。將地球的極軸延伸到天球，並將交點標記為北天極和南天極。

如果我們在北半球，那麼北天極將位於地平線上最北端的點之上，南天極將位於天球的另一側，在地平線之下。如果我們在南半球，情況則相反。請記住，要檢查地平線與極軸形成的角度是否與觀測者的緯度大致相同。

對於任何給定的緯度，都可以構建一個適當的天球。首先，考慮天空相對於地球。取南北極，並將它們延伸到天空；這些成為南北天極。地球的赤道可以向外投影以形成天球赤道。我們將得到一個類似於上面圖片的東西。

完成之後，您應該有一個與本節開頭非常相似的天球。

天球是許多座標系應用的基礎。例如，地平線和天球子午線共同構成參考圓，以根據高度和方位角給出恆星的位置，使人們更容易在夜空中找到它們。天球也是描述太陽運動的自然系統。然而，為了探索這些概念，有必要了解天球對於給定緯度的觀測者如何變化。當我們考慮地球的日常自轉時，我們將看到您對日常運動的感知在很大程度上取決於您的緯度。

當您觀察天空時，您的腦海中會自然地識別出明顯的模式。北斗七星和獵戶座是兩個非常突出的恆星群，其他恆星群在整個天球上都很突出。這些**星群**是夜空的指示標誌。當您觀察天空時，可以使用它們來確定方位。夜空的外觀在幾千年來一直保持著基本不變。全球許多古代文明都創造了關於天空的故事。

通常，恆星群被稱為**星座**。星座在天文學中有著悠久的歷史，可以追溯到幾千年前。20 世紀初，國際天文學聯合會（一個得到廣泛認可的天文學家組織）正式建立了一份星座列表。國際天文學聯合會確定了將在天文學中使用的星座，並定義了特定的邊界，以明確地確定每個恆星屬於哪個星座。很容易學習一些最突出的星座，這樣您就可以在夜空中找到方向。從一些易於找到的地標開始，您可以使用熟悉的恆星作為指示標誌來找到其他星座。

天空中另一個有用的指南是**黃道**。黃道是天空中太陽繪製的假想線。黃道與地球繞太陽執行的軌道平面一致；因此，所有主要行星和月球都應該相對靠近黃道或位於黃道上，因為太陽系大部分是扁平的。此外，在黃道上還有 12 個黃道星座。因此，透過在夜空中找到一些主要的黃道星座，可以確定他們看到的某些天體是否是行星，方法是看它們是否位於黃道上。

普通天文學
科學方法	天球	座標系