天文觀測(cè)常識(shí)之一: 赤道儀和"天球赤道坐標(biāo)系"(二) 現(xiàn)在, 我們談?wù)?天球"(Celestial Sphere). 如果我們?cè)谇缋实囊雇碇皇请S便看看, 不需要用"星圖"(Star Chart), 你就能很容易地看到北斗七星(Big Dipper). 但對(duì)于那些成百上千的不熟悉的星座, 沒有"星圖", 是不可想象的. 這"星圖", 猶如地上用的"地圖", 幫你"按圖索驥"地找到目標(biāo). 一張"星圖", 往往和時(shí)間和地點(diǎn)有關(guān). 它是根據(jù)"天球"投射的原理制作的(圖4). 圖4 北部星圖(北部"天球"的投影, modified form New Astronomer) "天球"本身, 并不實(shí)際存在. 我們看的"宇宙", 浩瀚無垠, 太陽(yáng)之外, 離我們最近的恒星, 也有幾光年(ligh-tyear, 光也要走幾年-光一年走的距離是9.46x10^^12公里, ^^是次方). 所以, 我們看的恒星, 都是"不動(dòng)"的, "象是"在同樣的距離上. 從業(yè)余觀測(cè)的角度看, 就象是一個(gè)"天球"("天幕")包在地球之外(圖4). 其實(shí), 大家也明白, 這也是一種"投射"(圖5). 圖5 天鵝座的各個(gè)恒星的實(shí)際位置(包括遠(yuǎn)近)和它們?cè)?天球"上的投影(courtesy of New Astronomer). 為了敘述上的方便, 描述"天球", 需要"定義"幾個(gè)名詞. "天球赤道"(Celestial Equator)是地球赤道平面向外延伸和天球的相交線. 對(duì)應(yīng)地, "天球極點(diǎn)"是地球極軸(Polar Axis)向外延伸和"天球"的交點(diǎn). 在北半球, 就是北極沿地球轉(zhuǎn)軸延伸到"天球"的交點(diǎn), 就是北極星(Polar Star, Polaris, North Star或Polestar)的位置. 所謂的"極軸校準(zhǔn)"(Polar Alignment), 在北半球, 就是對(duì)準(zhǔn)這"北極星". "天頂"(zenith), 指的是觀測(cè)者頭頂向上延伸至"天球"的交點(diǎn). 和它垂直的"地平面", 是(觀察者)當(dāng)?shù)仄矫?理想化的平面-地球的表面并非無限延長(zhǎng)). 圖6 天頂, 天球極點(diǎn)和當(dāng)?shù)仄矫?(modified from American Heritage Dictionary) 注意, 上圖里面的紅色線表示Azimuth(方位角, 0~360, 從北開始記為0, 依次順時(shí)針轉(zhuǎn)360度), 綠色線表示Altitude(高度角或仰角, 0-90, 赤道是0度北極是90度). 用這兩個(gè)參數(shù), 可以定義一個(gè)天體的位置(例如圖6里的黃色星). 這是最簡(jiǎn)單的"地平坐標(biāo)系"(Altazimuth Coordinates)系統(tǒng). 既然有了簡(jiǎn)單的"地平坐標(biāo)", 為什么還要定義"天球赤道坐標(biāo)"呢? 根據(jù)我們的常識(shí), 太陽(yáng)早晨從東方升起, 逐漸上升, 然后在西方落下. 隨著季節(jié)的變化, 太陽(yáng)在天上的高度, 以及它照大地的角度也不同(所以地上的影子長(zhǎng)短也不一). 現(xiàn)在我們已經(jīng)知道, 地球是個(gè)球體(盡管不規(guī)則, 但從業(yè)余觀測(cè)的角度, 影響不大), 它的自傳軸和它沿太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道(從地球的角度, 這是太陽(yáng)的軌道, 稱作黃道-Ecliptic)有個(gè)角度, 即地軸傾角(ε≈23°27′, 也叫"黃赤交角"-即黃道和赤道的夾角, 這個(gè)角度數(shù)也是地球南北回歸線-tropic of Cancer/tropic of Capricorn的緯度值). 圖7 黃道和赤道(modified from American Heritage?Dictionary) 天上的其它恒星, 和太陽(yáng)一樣, 相對(duì)于地球, 沿一定的軌道"運(yùn)轉(zhuǎn)". 取決于觀察者的位置和天體在"天球"上的坐標(biāo), 它們不是所有時(shí)間都可以看到的(圖8). 圖8 觀察者在北極, 赤道和中緯度某地觀星示意圖(modified form New Astronomer) 圖9 在赤道和中緯度某地照的星跡照片和解釋(modified form New Astronomer) 可以看到, 在一般緯度地區(qū), "星星"在夜空"走"的不是"橫平豎直"的"直線"(沿一個(gè)坐標(biāo)軸), 而是"斜線"(沿兩個(gè)坐標(biāo)軸). 如果你要想跟蹤天體, 要"手忙腳亂"地同時(shí)調(diào)整兩個(gè)軸, 至于拍些"固定"的不"模糊"的照片, 就更困難了. 這是定義"天球赤道坐標(biāo)系"(圖10)和設(shè)計(jì)Equatorial Mount的最大理由. 圖10 天球赤道坐標(biāo)(modified form New Astronomer) "天球赤道坐標(biāo)系"和"地平坐標(biāo)系"最大的不同, 是它使用天球赤道平面("頭頂"是天球極點(diǎn), 例如北極)而不是觀察者當(dāng)?shù)氐牡仄矫?"頭頂"是"天頂"). 兩者可以轉(zhuǎn)換, 但需要考慮觀察者所在的地理緯度(Terrestrial Latitude, 一般記作φ, 見Note 2). 和"地平坐標(biāo)系"類似, "天球赤道坐標(biāo)"也有兩個(gè)參數(shù), RA(right ascension)和Dec(declination). 在天球上, 一個(gè)點(diǎn)A, 可以表示成A(Dec, RA). 正如前面說的, Equatorial Mount的兩個(gè)軸分別對(duì)應(yīng)RA和Dec. 在校準(zhǔn)極軸之后, 設(shè)置RA和Dec值, 可以使望遠(yuǎn)鏡指向所要的方向. 下面是我自己手畫的示意圖(圖11), 說明當(dāng)RA軸和地面呈當(dāng)?shù)鼐暥冉? 并對(duì)準(zhǔn)北極星后, RA軸本身就和極軸(地球自轉(zhuǎn)軸)平行. 圖11 北極校準(zhǔn)示意圖 再參考圖2(GEM上的RA軸和Dec軸), 就可以看到, 裝在Dec軸上的望遠(yuǎn)鏡自由轉(zhuǎn)動(dòng)所行成的平面, 正好掃過(例如從上到下, 在北半球, 即從+90度到0度)某個(gè)RA所指定的"赤經(jīng)"線(例如RA). 當(dāng)在某個(gè)Dec值(例如Dec)"鎖定"這個(gè)軸后, 望遠(yuǎn)鏡就在那個(gè)時(shí)刻指向了位置A(Dec, RA). 因?yàn)榈厍虻淖赞D(zhuǎn)(從西向東或從北極看逆時(shí)針), 好象"天球"上的"星星"在按相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng). 某段時(shí)間后(RA-RA'或RA'-RA), RA變成了RA'(注意Dec沒有變), "星星"的位置A'看成(Dec, RA'). 圖12 "星星"在天球上的移動(dòng)(modified form New Astronomer) 我們所要做的, 就是調(diào)整RA軸來補(bǔ)償RA-RA'或RA'-RA的差別, 通過移動(dòng)一個(gè)RA軸來使望遠(yuǎn)鏡指向"移動(dòng)"的"星星", 好象"星星"從來沒有移動(dòng)一樣! 現(xiàn)在, 許多帶Equatorial Mount的望遠(yuǎn)鏡都選有或自動(dòng)帶有步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置(motor drive), 連在RA軸上, 用一個(gè)控制盒來控制, 非常方便. 高檔一些的望遠(yuǎn)鏡, 甚至有內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫(kù), 可以通過輸入指令(包括天球坐標(biāo))來自動(dòng)找到天體的位置然后追蹤(當(dāng)然, 事先"極軸"的校準(zhǔn)是必需的). Equatorial Mount的另一種相關(guān)應(yīng)用是, 天文攝影(astrophotography), 不需要專門的校正裝置(例如rotating erector prism), 就能自動(dòng)跟拍各種天體照片(否則, 就象上面的一幅圖所示的, 長(zhǎng)時(shí)間爆光的結(jié)果, 照出的是"星跡"). 順便地說, 我們已經(jīng)知道, 當(dāng)"星星"是太陽(yáng)時(shí), 它"走"過的軌道叫黃道, 沿途有十二個(gè)星座(其實(shí)是十三個(gè)). 西方占星學(xué)里的黃道十二宮和天文學(xué)上的定義有所不同(Zodiac, 其實(shí)經(jīng)過黃道的有十三座天文星座), 特指十二等分的區(qū)域, 后來也被東方人用作"十二屬"之外的個(gè)人"星座". 這些"星座"(宮)是, Leo(獅子), Cancer(巨蟹), Gemini(雙子), Taurus(金牛), Aries(公羊/白羊), Pisces(雙魚), Aquarius(水瓶/寶瓶), Capricornus(摩羯), Sagittarius(射手/人馬), Scorpius(天蝎), Libra(天平/天稱), Virgo(處女/室女). 這十二"宮", 猶如十二個(gè)大抽屜, 把蕓蕓眾生分別裝了進(jìn)去, 不管你是否喜歡(注3). 圖13 黃道及十二宮(部分, modified form New Astronomer) NOTE: 1. 黃道坐標(biāo)<->天球坐標(biāo) λ和β代表黃經(jīng)和黃緯, α和δ代表赤經(jīng)和赤緯, ε=23°26′20.512″即黃赤交角(地軸傾角). 1.1 黃道坐標(biāo)->天球坐標(biāo) sinδ=sinεsinλcosβ+cosεsinβ 1.2 天球坐標(biāo)->黃道坐標(biāo) sinβ=cosεsinδ-sinαcosδsinε 2. 天球坐標(biāo)->地平坐標(biāo) 令δ為赤緯，H為時(shí)角(赤經(jīng)), 令φ為觀察者所在的地理緯度, 令A(yù)lt為高度角，Az為方位角 sinAlt=sinφsinδ+cosφcosδcosH 3. 近來聽說有人用"易經(jīng)"為招牌來給人算六十四卦. 其實(shí)也是根據(jù)"經(jīng)驗(yàn)"設(shè)置一些大抽屜, 把你塞入不同的編號(hào)而已. 如果在初中時(shí)你就知道所謂的"抽屜原則"(即Drawer Principle或Pigeonhole Principle), 不難想象他們玩兒的是什么.
1. Carole Stott, New Astronomer, DK Publishing, Inc., 1999
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