2.1: 上方的天空
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- 202825
学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 定义天球的主要特征
- 解释天文学家用来描述天空的系统
- 描述一下地球上恒星的运动是如何呈现给我们的
- 描述太阳、月亮和行星在地球上的运动是如何呈现给我们的
- 理解 “星座” 一词的现代含义
我们的感官向我们表明，地球是宇宙的中心——天堂转向的枢纽。 在欧洲文艺复兴之前，几乎所有人都相信这种地心（以地球为中心）的观点。 毕竟，这很简单、合乎逻辑，而且看似不言而喻。 此外，地心视角强化了那些教导人类作为宇宙中心焦点的独特作用的哲学和宗教体系。 但是，地心视图恰好是错误的。 我们思想史上最伟大的主题之一是推翻地心视角。 因此，让我们来看看我们重新评估世界在宇宙秩序中的地位的步骤。
天球
如果你去露营旅行或者住在远离城市灯光的地方，那么在晴朗的夜晚你对天空的看法与望远镜发明之前全世界的人们所看到的几乎相同。 往上看，你会得到这样的印象：天空是一个很棒的空心穹顶，以你为中心（图\(\PageIndex{1}\)），穹顶表面上所有的星星与你的距离相等。 那个穹顶的顶部，即你头顶正上方的点，被称为天顶，穹顶与地球的交汇处被称为地平线。 从大海或平坦的草原上看，很容易将地平线看作是你周围的圆圈，但是从当今人们居住的大多数地方，地平线至少被群山、树木、建筑物或烟雾所掩盖。
如果你像古代牧羊人和旅行者经常做的那样，躺在空旷的田野里观察夜空几个小时，你会看到星星在东方地平线上升起（就像太阳和月亮一样），在夜晚穿过天空的穹顶，落在西方地平线上。 看着天空像这样一夜又一夜地转动，你最终可能会意识到，天穹确实是一个大球体的一部分，这个球体正在绕着你旋转，在它转弯时会看到不同的星星。 早期的希腊人将天空视为这样的天球（图\(\PageIndex{2}\)）。 有人认为它是一个真正的透明晶体材料球体，星星像微小的珠宝一样嵌入其中。
今天，我们知道，随着白天和黑夜的发展，转动的不是天球，而是我们赖以生存的星球。 我们可以用一根虚构的棍子穿过地球的北极和南极，代表我们星球的轴心。 正是因为地球每 24 小时转动这个轴线，我们才能看到太阳、月亮和恒星以发条规律升起和落下。 今天，我们知道这些天体并不是在穹顶上，而是与我们在太空中的距离差异很大。 尽管如此，有时候谈论天穹或球体以帮助我们跟踪天空中的物体还是很方便的。 甚至还有一个特殊的剧院，叫做天文馆，我们在其中将恒星和行星的模拟投射到一个白色的穹顶上。
当天球旋转时，其上的物体保持其相对于彼此的位置。 诸如北斗七星之类的一组恒星在夜间具有相同的形状，尽管它会随着天空转动。 在一个夜晚，即使是我们知道自己有重大运动的物体，例如附近的行星，也相对于恒星来说似乎是固定的。 只有流星 —— 在视野中闪烁几秒钟的短暂的 “流星” —— 相对于天球上的其他物体才能明显移动。 （这是因为它们根本不是星星。 相反，它们是宇宙尘埃的一小块，在撞击地球大气层时会燃烧。） 我们可以利用整个天球似乎汇聚在一起的事实来帮助我们建立系统来跟踪天空中可见的东西以及它们在给定时间碰巧在哪里。
天极和天赤道
为了帮助我们在转弯的天空中定向，天文学家使用了将地球轴点延伸到天空中的系统。 想象一下，一条线穿过地球，连接北极和南极。 这是地球的轴线，地球绕着这条线旋转。 如果我们将这条虚线从地球向外延伸，则这条线与天球相交的点称为北天极和南天极。 当地球绕其轴线旋转时，天空似乎围绕这些天极朝相反的方向转动（图\(\PageIndex{3}\)）。 我们还（在我们的想象中）将地球的赤道投向天空，并称之为天赤道。 它位于天极之间，就像地球的赤道位于我们星球两极之间的中途一样。
现在让我们想象一下，在我们旋转的地球的不同部分骑行会如何影响我们对天空的看法。 天球的表观运动取决于您的纬度（赤道以北或以南的位置）。 首先，请注意地球的轴线指向天极，因此天空中的这两个点似乎没有转动。
例如，如果你站在地球的北极，你会看到头顶的北天极，在你的天顶。 距离天极90°的天赤道将位于你的地平线上。 当你在夜间观察星星时，它们都会围绕天极盘旋，没有升起或落下。 北极的观察者只能看到天赤道以北的那一半的天空。 同样，南极的观察者只能看到天空的南半部分。
另一方面，如果你在地球赤道，你会看到天赤道（毕竟它只是地球赤道的 “延伸”）从头顶穿过你的天顶。 然后，天极距离天赤道90°，必须位于地平线的北点和南点。 随着天空的转动，所有星星升起并落下；它们从地平线的东侧直向上移动，然后在西侧直向下移动。 在 24 小时内，所有恒星都在地平线之上的时间恰好有一半。 （当然，在其中一些时间里，太阳太亮了，我们看不见它们。）
美国或欧洲纬度的观察者会看到什么？ 请记住，我们既不是在地球的极点，也不是在赤道上，而是在它们之间。 对于美国大陆和欧洲大陆的人来说，北天极既不在头顶也不在地平线上，而是介于两者之间。 它出现在北方地平线上方，其角度高度或高度等于观察者的纬度。 例如，在旧金山，纬度为北纬 38°，北极比北方地平线高 38°。
对于北纬 38° 的观察者来说，南天极位于南方地平线以下 38°，因此永远看不见。 随着地球的转动，整个天空似乎都围绕着北天极旋转。 对于这个观察者来说，距离北极 38° 以内的恒星永远无法落下。 无论白天还是黑夜，它们总是在地平线之上。 这部分天空被称为北极环区。 对于美国大陆的观察者来说，北极圈北斗、小北斗七星和仙后座就是北极环区恒星群的例子。 另一方面，距离南天极38°以内的恒星永远不会升起。 天空的那一部分是南极环区。 对大多数美国观察者来说，南十字星就在那个区域。 （如果你不熟悉刚才提到的明星群体，请不要担心；我们稍后会更正式地介绍他们。）
内布拉斯加大学林肯分校创建的旋转天空实验室提供了互动演示，介绍了水平坐标系、天空的视在旋转，并允许探索地平线和天体赤道坐标系之间的关系。
在地球历史上的这个特殊时刻，恰好有一颗恒星离北天极很近。 它被称为北极星，极星，其区别在于它是随着北方天空每天转动而移动量最小的恒星。 因为它移动得很少，而其他恒星移动得更多，所以它在几个美洲原住民部落（有人称之为 “天空的紧固件”）的神话中扮演了特殊的角色。
你的角度是什么？
天文学家使用角度测量天空中物体相距多远。 根据定义，一个圆圈有 360°，因此完全围绕天球延伸的圆包含 360°。 然后，天空的半球体或圆顶包含从地平线到相反地平线的 180°。 因此，如果两颗恒星相距 18°，则它们的间隔跨度约为天空穹顶的 1/10。 为了让你了解一个度数有多大，满月的宽度大约为半度。 这大约是你在手臂长度上看到的最小手指（小指）的宽度。
太阳的升起和落山
我们描述了星星在夜空中的运动，但是白天呢？ 白天，星星继续盘旋，但太阳的光彩使它们难以看见。 （但是，通常可以在白天看到月亮。） 在任何一天，我们都可以认为太阳位于假设的天球上的某个位置。 当太阳升起时，也就是说，当地球的自转将太阳带到地平线上方时，阳光会被我们大气中的分子散射，使我们的天空充满光线，将恒星隐藏在地平线之上。
几千年来，天文学家一直意识到太阳的作用不仅仅是升起和落下。 它在天球上的位置逐渐改变，每天相对于恒星向东移动约1°。 很合理的是，古人认为这意味着太阳正在缓慢地绕地球移动，我们称之为一整圈需要一段时间。 当然，今天，我们知道绕太阳运行的是地球，但效果是一样的：太阳在我们天空中的位置每天都在变化。 晚上我们在篝火旁走动时也有类似的经历；我们看到火焰轮流出现在每个轮流坐在火炉旁的人面前。
太阳每年绕天球所走的路径被称为黄道（图\(\PageIndex{4}\)）。 由于太阳在黄道上运动，每天大约 4 分钟后太阳相对于恒星升起。 地球只需要完成一次以上的旋转（相对于恒星）才能使太阳再次升起。
随着时间的流逝，我们从轨道上的不同位置观察太阳，我们看到它投射到轨道上的不同位置，从而投射到背景中的不同恒星上（图\(\PageIndex{5}\)和表\(\PageIndex{1}\)），或者至少如果我们能在白天看见恒星，我们会这样做。 实际上，我们必须通过观察夜间相反方向可见的恒星来推断出哪些恒星位于太阳后面和太阳之外。 一年后，当地球完成绕太阳的一次旅行时，太阳似乎已经完成了沿黄道的一次天空循环。
| 黄道上的星座 | 太阳穿过它的日期 |
|---|---|
| 摩羯座 | 1 月 21 日至 2 月 16 日 |
| 水瓶座 | 2 月 16 日至 3 月 11 日 |
| 双鱼座 | 3 月 11 日至 4 月 18 日 |
| 白羊座 | 4 月 18 日至 5 月 13 日 |
| 金牛座 | 5 月 13 日至 6 月 22 日 |
| 双子座 | 6 月 22 日至 7 月 21 日 |
| 癌症 | 7 月 21 日至 8 月 10 日 |
| 利奥 | 8 月 10 日至 9 月 16 日 |
| 处女座 | 9 月 16 日至 10 月 31 日 |
| 天秤座 | 10 月 31 日至 11 月 23 日 |
| 天蝎座 | 11 月 23 日至 11 月 29 日 |
| 蛇夫座 | 11 月 29 日至 12 月 18 日 |
| 射手座 | 12 月 18 日至 1 月 21 日 |
黄道不是位于天赤道沿线，而是以大约 23.5° 的角度向其倾斜。 换句话说，太阳在天空中的年度路径与地球的赤道无关。 这是因为我们星球的旋转轴从黄道平面伸出的垂直线倾斜了大约 23.5°（图\(\PageIndex{7}\)）。 从 “直线向上” 倾斜在天体中一点也不罕见；天王星和冥王星实际上倾斜得如此之大，以至于它们 “站在他们的一边” 绕太阳运行。
黄道的倾角是随着季节的变化，太阳在天空中向北和向南移动的原因。 在《地球、月球和天空》中，我们将更详细地讨论季节的变化。
固定星星和流浪之星
太阳不是唯一在固定恒星之间移动的物体。 月球和肉眼可见的每颗行星——水星、金星、火星、木星、土星和天王星（尽管只是勉强）——也每天都在缓慢地改变其位置。 在一天之内，月亮和行星都会随着地球的转动而升起和落下，就像太阳和恒星一样。 但是像太阳一样，它们在恒星之间有独立的运动，叠加在天球的日常旋转上。 注意到这些运动，2000年前的希腊人区分了他们所谓的固定恒星（几代人之间保持固定模式的恒星）和流浪恒星或行星。 实际上，“星球” 一词在古希腊语中意为 “流浪者”。
今天，我们不将太阳和月亮视为行星，但是古人将这个术语应用于天空中的所有七个移动物体。 古代天文学的大部分内容都用于观测和预测这些天体流浪者的运动。 他们甚至将一个单位的时间，即一周，用于七个自行移动的物体；这就是为什么一周有7天的原因。 月球是地球最近的天体邻居，其视在运动速度最快；它将在大约 1 个月（或月份）内完成一次空中旅行。 为此，月球每天在天空中移动大约12°，或其自身表观宽度的24倍。
示例\(\PageIndex{1}\)：天空中的角度
一个圆由 360 度 (°) 组成。 当我们测量天空中某物移动的角度时，我们可以使用以下公式：
\[\text{speed}=\dfrac{\text{distance}}{\text{time}} \nonumber\]
无论运动是以千米/小时还是每小时度数来测量的，都是如此；我们只需要使用一致的单位即可。
举个例子，假设你在北半球的观测地点注意到一颗明亮的天狼星。 你记下时间，然后你注意到小天狼星在地平线以下设定的时间。 你会发现 Sirius 在 5 小时内行驶了大约 75° 的角距离。Sirius 需要大约多少小时才能返回原来的位置？
解决方案
天狼星的速度是
\[\dfrac{75°}{5\,h}=\dfrac{15°}{1\,h} \nonumber\]
如果我们想知道 Sirius 返回其原始位置所需的时间，我们需要等到它绕一整圈或 360°。 重新排列我们最初给出的速度公式，我们发现：
\[\text{time}=\dfrac{\text{distance}}{\text{speed}} = \dfrac{360°}{15°/h}=24\,h \nonumber\]
实际时间比这短了几分钟，我们将在后面的章节中探讨原因。
练习\(\PageIndex{1}\)
月亮相对于背景恒星在天空中移动（除了由于地球的自转而与恒星一起移动）。 晚上去外面，注意月亮相对于附近恒星的位置。 几个小时后重复观察。 月亮移动了多远？ （作为参考，月球的直径约为0.5°。） 根据你对月球运动的估计，月球需要多长时间才能恢复到你第一次观测到的恒星的相对位置？
- 回答
-
月球的速度为 0.5°/1 h。要完整移动 360°，月球需要 720 h：0.5°1h=360°720h。0.5°1H=360°720h。
将 720 小时除以 24 小时/天的转换系数，得出月球周期约为 30 天。
月球和天空中行星的各个路径都位于黄道附近，尽管不完全在黄道上。 这是因为行星绕太阳的路径和月球绕地球的路径几乎都在同一个平面上，就好像它们在一张大纸上是圆圈一样。 因此，行星、太阳和月亮总是存在于天空中，位于以黄道为中心的18度宽的狭窄带内，称为十二生肖（图\(\PageIndex{5}\)）。 （“十二生肖” 一词的词根与 “动物园” 一词的词根相同，意思是动物的集合；十二生肖带中的许多星星图案让古人想起了动物，例如鱼或山羊。）
随着时间的流逝，行星在天空中的移动方式是它们的实际运动加上地球绕太阳运动的结合；因此，它们的路径有些复杂。 正如我们将看到的，几个世纪以来，这种复杂性一直吸引着天文学家并对其构成挑战。
星座
天空中 “流浪者” 运动的背景是星空的树冠。 如果天空中没有云，我们在平坦的平原上，没有任何东西可以遮挡我们的视线，那么我们可以用肉眼看见大约 3000 颗星星。 为了绕过如此众多的星群，古人找到了几组恒星，这些恒星形成了一些熟悉的几何图案，或者（更少见）与他们所知道的东西相似。 每个文明都在星空中找到了自己的图案，就像现代的罗夏测试一样，在这个测试中，你需要辨别一组墨迹中的图案或图片。 古代中国人、埃及人和希腊人等人找到了自己的恒星群或星座。 这些有助于在星空中航行，也有助于将他们的恒星知识传递给他们的孩子。
你可能熟悉我们今天仍在使用的一些旧星星图案，例如北斗七星、小北斗七星和猎人猎户座，以及他独特的三星腰带（图\(\PageIndex{7}\)）。 但是，我们看到的许多恒星根本不是独特的恒星图案的一部分，望远镜发现了数百万颗太微弱的恒星，眼睛看不见。 因此，在20世纪初的几十年中，来自许多国家的天文学家决定建立一个更正式的天空组织系统。
今天，我们使用星座一词来表示我们划分天空的88个扇区之一，就像美国被划分为50个州一样。 星座之间的现代边界是天空中南北向和东西向的虚线条，因此天空中的每个点都落在特定的星座中，尽管与各州一样，并非所有星座的大小都相同。 所有星座都在附录 L 中列出。只要有可能，我们都会用其中一种古希腊星图案的拉丁语译本命名每个现代星座。 因此，猎户座的现代星座是一种天空中的盒子，除其他许多物体外，还包括构成猎人古代画面的恒星。 有些人使用星座一词来表示星座（有时横跨多个星座的一部分）中特别引人注目的恒星图案。 例如，北斗七星是大熊 Ursa Major 星座中的星座。
学生有时会感到困惑，因为星座很少与他们命名的人或动物相似。 希腊人自己很可能没有命名星群，因为它们看起来像真实的人物或主体（比华盛顿州的轮廓更像乔治·华盛顿）。 相反，他们为纪念神话中的角色命名了天空的各个部分，然后尽其所能使星星配置适合动物和人。
这个关于天空物体的网站允许用户绘制详细的天空地图，显示有关太阳、月亮、行星、恒星、星座甚至绕地球运行的卫星的位置和信息。 首先，使用屏幕右上角菜单中的选项设置您的观察位置。
我们感官的直接证据支持地心视角，即天球在天极上旋转，绕静止的地球旋转。 我们一次只能看到这个球体的一半，受地平线的限制；直接位于上方的点是我们的天顶。 太阳在天球上的年度路径是黄道，这条线贯穿黄道十二宫的中心，黄道十二宫是一条 18 度宽的天空带，我们总能在其中找到月球和行星。 天球被组织成 88 个星座或扇区。
词汇表
- 天赤道
- 天球上距离天极 90° 的一个大圆圈；天球与地球赤道平面相交
- 天极
- 天球似乎围绕其旋转的点；天球与地球极轴的交叉点
- 天球
- 天空的视在球体；以观察者为中心的大半径球体；天空中物体的方向可以用它们在天球上的位置来表示
- 极地周区
- 天球中靠近天极的那些部分要么总是在地平线之上，要么总是在地平线以下
- 黄道的
- 太阳在天球上的明显年度路径
- 地心的
- 以地球为中心
- 地平线（天文学）
- 天球上距离天顶 90° 的一个大圆圈；更常见的是我们周围天穹与地球交汇处的圆圈
- 星球
- 今天，任何围绕太阳旋转的较大物体或绕其他恒星运行的任何类似物体；在远古时代，任何在固定恒星之间定期移动的物体
- 生肖
- 围绕天空的大约 18° 宽的腰带，以黄道天顶为中心，天球上与重力方向相反的点；指向观察者年的正上方，即地球绕太阳旋转的时期