第一章天球：坐标系与时间计量

天体物理与宇宙论的演化徐建军复旦大学物理系2009年9月办公室：物理楼109室电话：65643602Email:[e-mail]第一章天球:坐标系与时间计量当我们观察星空，辨认星座时，会发现所有的恒星都象太阳、月亮一样，有着东升西落的运动。§1.1地球自转和天体的周日视运动由于这种运动每天有规律地重复出现，故称为天体的周日视运动。恒星周日视运动的轨迹称为周日平行圈。在周日视运动的过程中，恒星之间的相对位置和星座的形状基本上看不出变化。天体周日视运动是地球自转的反映。天球（天穹）：天球是一个假想的球。它是以观测者为球心，半径很大的球。以地球为中心的天球称为地心天球。以太阳为中心的则称为日心天球。天体在天球上的位置，可以用球面坐标（如经纬度）来表示。如果再加上天体离开我们的距离，就给出了天体在空间的确定坐标。将地球自转轴延伸，与天球相交于P,P′，轴P,P′即为天轴。大圆QQ′与地球赤道在同一平面，称为天赤道。点P与地球北极对应，称为北天极，P′与地球南极对应，称为南天极。天球上所有的恒星都在24小时（地球自转一周）内绕天轴旋转一周形成周日平行圈，因此所有的周日平行圈都是平行的。恒星离天极越近，周日平行圈的半径就越小，最大的周日平行圈就是天赤道。北极星离北天极很近，所画的周日平行圈半径极小，几乎可以认为是不动的，因而被称之为北极星。北极星不是固定的。南天极附近没有相应的南极星。南极天空的恒星周日平行圈轨迹乞力马札罗山上的星光北极天空的恒星周日平行圈由于地轴的进动，天极不能固定在某一个位置，而是在天球上绕一小圆缓缓移动，大约26000年移动一周。现在的北极星为小熊座a，公元前3000年为天龙座a，公元14000年，织女星（天琴座a）将成为北极星。决定天体在天球上的位置和决定地面上一点的位置所用的方法是相同的，都是采用球面坐标系。§1.2天球坐标系在天球上选取两个互相垂直的大圆，称之为球面坐标系的基本圈。其中一个大圆相当于直角坐标系的X轴，另一个大圆则相当于Y轴。通过天球中心与观测点作与该点重力方向平行的直线ZOZ′，Z点正好在观测者头顶，称为天顶。对应点Z′则称为天底。通过天球中心O作一平面和ZZ′垂直,在天球上截出的大圆称为真地平。通过北天极P和天顶Z的大圆PZSZ′N称为天子午圈，它和真地平相交于点N和S。靠近北天极P的N点称为北点，和它相对的S点称为南点。观测者面向北时，右边距N、S各900的点E为东点，与之对应的W点为西点。E、W点正好是天赤道与真地平的交点。E、S、W、N合称四方点。通过天顶和东西两点的大圆ZWZ′E称为卯酉圈。通过天球中心O作一平面和地球公转轨道平面（即太阳周年视运动轨道平面）平行，称为黄道面，它和赤道面的交角（黄赤交角）约为23027′。每个观测点都有自己的天顶，真地平，子午圈和卯酉圈。黄道面在天球上截出的大圆称为黄道。黄道上距春分点90°且在赤道以北的点称为夏至点，与之对应的点称为冬至点。黄道也有两个极，靠近北天极P的黄极K称为北黄极，靠近南天极P′的为南黄极K′。黄道和赤道的相交点称为春分点和秋分点。1.地平坐标系取真地平为基本圈，基本轴为天顶与天底的连线。南点S为原点（也可取北点N为原点），这样建立的坐标系称为地平坐标系。天体M的第一坐标为弧SM′，称为地平经度（方位角），记为A。从南点S起，分别向西（规定为正）和向东度量。由00到±1800。E点的经度为-900，W点的经度为900。弧MM′为天体的第二坐标，称为地平纬度（或高度），记为h。由真地平向上为正，向下为负。从00到±900。地平坐标系比较直观。只要找到北天极，就可以确定地平坐标系的基本圈和基本点。但是，地平坐标系显然与观测者的地理位置有关。每个观测点都有自己的基本圈和基本点。由于天体的周日视运动，天体的地平坐标随时间在不断变化之中。2.赤道坐标系取天赤道为基本圈，基本轴为天轴。基本点为春分点和秋分点，夏至点和冬至点。天体M的坐标为赤经a赤纬d。赤经从春分点起算，由西向东度量，从00到3600，或者从0h到24h，换算关系为1h=150，1m=15ˊ，1s=15〞赤纬从赤道起算，分别向北和向南，±900。赤道坐标系没有地平坐标系那样直观。我们凭感官无法判断天赤道在天球上的位置，也无法判断春分点的位置。但是，天体的赤道坐标与观测者的地理位置无关，对任何地点都是相同的。并且，由于春分点随着天体一起作东升西落的周日视运动，天体的赤道坐标不会因为周日视运动而改变。在天文学中更多使用的是赤道坐标系。3.黄道坐标系取黄道为基本圈，基本轴为北南黄极的连线。基本点也是春分点。天体M的坐标为黄经λ和黄纬β。黄道坐标系主要用于描述太阳系天体的运动。天体在不同坐标系中的坐标可以互相转换。还可以取银河坐标系。天体的周日视运动现象，随观测点和时间的变化而变化。1.不同纬度处的周日旋转在地球上纬度不同的地方，可以观察到的天体情况是不同的。§1.3天体的周日视运动观测者位于地球两极（f=900）天极P与天顶Z重合，天赤道与真地平重合。所有恒星的周日平行圈都和真地平平行，所有恒星都不升不落，且高度不变。北极的观测者只能看到北半天球的恒星，南半天球的恒星完全看不到;南极的观测者只能看到南半天球的恒星，北半天球的恒星完全看不到。观测者位于地球赤道（f=00）北天极P位于真地平的北点N，南天极Pˊ位于真地平的南点S。天赤道通过天顶Z。所有恒星的周日平行圈都和真地平垂直。全天的恒星都可以看见。每天有12小时看得见，12小时看不见。观测者位于两极和赤道之间（00f900）天轴和地平有倾角f，恒星的周日平行圈和地平有倾角900–f。当观测者在北极附近时，北天极P靠近天顶Z，周日平行圈和地平的交角很小。能看到的南天恒星很少。当观测者向赤道方向移动时，天极P的高度逐渐下降，周日平行圈和地平的交角逐渐增大，可以看到的南天恒星也逐渐增多。类似可以讨论南极附近的情形。2.永不落的天体和永不升起的天体设观测者位于地球北半球，纬度为f。以北天极P为中心，PN为半径画小圆，则所有在球帽PN内的天体永不下落，因为它们的周日平行圈始终位于地平之上。以南天极P′为中心，P′S为半径画小圆P′S，则所有在球帽P′S内的天体永不升起，因为它们的周日平行圈始终位于地平之下。在小圆PN和P′S之间的天体，周日平行圈的一部分在地平之上，另一部分在地平之下。所以有升有落。天赤道以北的天体，周日平行圈的大部分位于地平之上，所以每天在地平线以上的时间超过12小时。每天从东北方升起，在西北方落下。天赤道以南的天体情况正好相反，所以每天在地平线以上的时间少于12小时。每天从东南方升起，在西南方落下。对于天赤道上的天体，由于地平面平分天赤道，所以周日平行圈的一半位于地平之上，一半位于地平之下。天体有12小时在地平之上，12小时在地平之下。每天从东点升起，在西点落下。很早以前，人们就注意到，太阳除了作周日视运动外,还作周年视运动，即相对于恒星，太阳由西向东移动，每年在天球上沿黄道移动一周。§1.4地球公转和星空周年变化通过长期观测研究，人们认识到这是地球公转的反映。地球绕太阳公转，我们的感觉似乎是太阳绕着地球旋转。当地球绕太阳沿a、b、c、d旋转一周时，我们看到的似乎是太阳绕着地球沿C、D、A、B旋转了一周。太阳在天球上移动的方向和地球公转的方向是一致的，即由西向东转。当地球位于a点时，我们看到太阳是位于星座C的方向，由于太阳的照耀，星座C的天体被淹没。在地球上用肉眼无法看到星座C的天体。它和太阳同时东升西落。星座A与太阳方向相反，太阳落下后它正好升起，因此晚上可以看见。当地球运行到b点时，晚上可以看见星座B的天体，而星座D的天体由于和太阳同时东升西落无法用肉眼看到。由于地球的公转，我们每天晚上看到的星座都略有不同。在短时间内，这种变化难以察觉，长时间的变化则很明显。夏天晚上看到的星座和冬天晚上看到的星座完全不同。在夏天，晚上可以看到织女星和牵牛星，而在冬天，晚上则可以看到全天最亮的恒星——天狼星，以及猎户座大星云。春夜狮子赶天狼，夏夜牛郎会织女，秋夜仙女骑飞马，冬夜猎户斗金牛。一年的不同时间在地球上能看到的黄道星座。夏季星空天津四金牛座中的蟹状星云，1054年超新星爆发遗迹。蟹状星云猎户座星云猎户座星云猎户座大星云猎户座反射星云猎户座中的马头星云近看马头星云更近些看马头星云银河系和哈雷彗星银河系全貌银河夏季大三角织女(天琴座a)，牛郎(天鹰座a)，天津四(天鹅座a)法国阿尔卑斯山上空的银河系。长城嘉峪关的日全食：2008年8月1日时间的计量是天文学的一个基本课题。我国的国家授时中心（原陕西天文台）是专门进行测时、授时的机构。国际地球自转服务局IERS和国际计量局BIPM（国际时间局）负责为全世界提供标准时间。什么是时间？§1.5时间的计量时间是物质运动延续性的度量。为了计量时间，必须观测物质的某种运动。没有物质的运动，就没有时间的计量。以不同的物质运动为依据，就产生了不同的计时系统。以天体的运动为依据，我们有恒星时、太阳时等计时系统。其他计时系统有历书时、力学时、原子时、协调世界时。古代计时工具：日晷铜壶漏刻报时装置沙漏滴漏浑仪圭表水运仪象台燕肃莲花漏香漏水运仪象台的内部结构西汉漏刻红木星图节气天文钟美国国家标准局的铯原子钟NISTF-1中科院国家授时中心的铯原子钟纪元朝代计时仪器史主要文献公元前2357~2258年尧圭表、日晷测时已达相当高的精度殷墟出土卜辞“尚书·尧典”公元前722~221年春秋战国中国的漏壶记时已达很高的水平“周礼”、“初学记”、唐孔款达“诗疏”公元前201~公元9年西汉日晷和漏刻计时同时使用“前汉书”、“中国科学技术史”滴、清·梅文鼎“日晷”备考三考公元85年东汉浮子和漏箭“玉函山房辑佚书”、张衡“漏水转浑天仪制”公元132年东汉张衡制漏水浑天仪“晋书”公元450公元450李兰制“停表刻漏”，又名“马上奔驰”“初学记”公元502~557年梁殷夔制漫水或恒定水位漏“初学记”，殷夔“漏刻法”公元660年隋耿询、宇文恺制大称式刻漏，献于隋炀帝“玉海”卷十一、“国史志”、“宋史”公元665年唐吕才制“多壶式受水壶刻漏”“事林广记”、“六经图”公元618~906年唐唐代盛行赤道式日晷，并于十七世纪前传入欧洲元·杨禹“山居新话”、“中国科学技术史”、清·梅文鼎“日晷”备考三考公元725年唐梁令瓒，一行制擒纵机构“新唐书·天文志”、“中国科学技术史”公元1030年北宋燕肃制“莲花漏”初学记公元1135年金出现复式多壶漫流刻漏“六经图”、“大清会典”公元1050年北宋舒易简、于渊、周宗制皇祐刻漏“初学记”公元1074年北宋沈括革新皇祐漏刻沈括“梦溪笔谈”、“浮漏仪”公元1090年北宋苏颂、辅公濂制水运仪像台“新仪像法要”公元1250年南宋“香篆”钟和灯钟记时在中国广为流行洪刍“香谱”、杨禹“山居新话”公元1260年元地平式日晷由西方传入（携带式日晷）“元史·天文志”、“中国科学技术史”公元1276年元郭守敬制“周公测景台”、“大明殿灯漏”“元史·天文志”公元1313年宋宋代农夫已开始使用田漏王祯“农书”、“中国刻漏”、梅晓臣“田漏”公元1316年元杜子威、冼运行制广州铜壶滴漏“广州延祐铜壶记”公元1360年元詹希元制五轮沙漏“明史·天文志”、宋濂“五轮沙漏铭”公元1580年明西方传教士罗明坚将自鸣钟传入中国“中国天主教史”公元1600年明明末吉坦然制“通天塔”（自鸣钟）“宣城县志”卷二十七公元1745年清丁傅欲重建广州镇海楼自鸣钟“雪桥县志”卷九公元1773年清清宫“作钟处”仿制改造机械时钟清史档案公元1796年清冯义和制“更钟”存南京博物院恒星时春分点连续两次通过某观测地子午圈的时间间隔称为一个恒星日。这种由春分点的周日视运动确定的时间计量系统称为恒星时计时系统。1恒星日=24恒星时1恒星时=60恒星分1恒星分=60恒星秒恒星时只在天文工作者中使用。在日常生活中，自古以来都是用昼夜交替，即太阳的周日视运动来计算时间的。也就是太阳时。太阳两次通