天體物理學(xué)時(shí)間、坐標(biāo)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1、天體物理學(xué)時(shí)間、 坐標(biāo)系統(tǒng)簡(jiǎn)介山東大學(xué)物理與微電子學(xué)院薛良一. 時(shí)間系統(tǒng)天文學(xué)上應(yīng)用四種不同的時(shí)間系統(tǒng)：世界時(shí)、歷書時(shí)、力學(xué)時(shí)和恒星時(shí)。 每一種時(shí)間系統(tǒng)都有一個(gè)基本歷元和一個(gè)基本 的時(shí)間間隔度量體系。 它們都采用“日”做為基本的時(shí)間單位， 每日包含等長的 24 小時(shí)，每小時(shí)包含等長的 60 分鐘，每分鐘包含 等長的 60 秒，亦即，1d=24h=1440m=86400s。1.世界時(shí)(Universal Time , UT)世界時(shí)是根據(jù)地球相對(duì)于太陽自轉(zhuǎn)導(dǎo)出的時(shí)間系統(tǒng)。地球自轉(zhuǎn)的速度并不是均勻不變的， 而是具有下列三種變化： 長期變化 由于潮汐摩擦力， 地球自轉(zhuǎn)速度逐漸變慢， 日的長度每百 年大

2、約增加 0.0016 秒。 季節(jié)變化 地球表面上的氣團(tuán)隨季節(jié) 而移動(dòng)，使地球自轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生季節(jié)性變化。在春季自轉(zhuǎn)速度較慢，秋 季較快，一年里的日的長度約有 0.001 秒的變化。此外，還有一些 影響較小的其他周期性變化。 不規(guī)則變化 這種變化表現(xiàn)為地 球自轉(zhuǎn)速度時(shí)而加快，時(shí)而變慢，其物理機(jī)制尚不清楚。這三種變化中，長期變化不太明顯，只在長時(shí)期的積累后才產(chǎn)生影響；不規(guī) 則變化比較大，且不能預(yù)先估計(jì)；季節(jié)變化也相當(dāng)大，但每年變化的 規(guī)律相當(dāng)固定，因此可以預(yù)先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式外推。另外，世界時(shí)的測(cè)定與測(cè)站子午圈的位置有關(guān)， 地極位移引起子午圈的的變位也能 影響測(cè)定的世界時(shí)的均勻性。 1956 年起，國際上

3、把世界時(shí)分為三種： 通過天文觀測(cè)直接測(cè)定的世界時(shí)，記為 UT0 ；加以地極位移引起子 午圈變位的修正得到的相對(duì)于平均極的子午圈的世界時(shí)，記為 UT1 ； 再修正用經(jīng)驗(yàn)公式外推得出的地球自轉(zhuǎn)速度周年變化的影響， 得出另一種相對(duì)地說比較均勻的世界時(shí)，記為 UT2 。盡管如此，世界時(shí) UT2 仍然包含有地球自轉(zhuǎn)速度的長期變化和不規(guī)則變化的影響， 不是絕對(duì) 均勻的。 天文年歷中， 根據(jù)力學(xué)理論計(jì)算天體位置所用的時(shí)間是均勻 的時(shí)間，世界時(shí)不符合這一要求。2.歷書時(shí)(Ephemeris Time , ET ) 地球自轉(zhuǎn)速率的不規(guī)則性使得世界時(shí)不適合于觀測(cè)和理論的比較， 1960 年起，各國天文學(xué)年歷引入一

4、種以太陽系內(nèi)天體公轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)的 時(shí)間系統(tǒng)，稱為歷書時(shí)。 它在當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是均勻的。 歷書時(shí)用 1900 年 年首的平黃經(jīng)和平均運(yùn)動(dòng)來定義，歷書秒定義為 1900 年 1 月 0 日 12hET 瞬時(shí)回歸年長度的 .9747 分之一，而把 1900 年初太陽幾何平 黃經(jīng)等于 279 41 48 .04 時(shí)刻作為基本歷元，即 1900 年 1月 0 日12hET (1900年1月0.5天)。但是，歷書時(shí)不論從理論上還是 實(shí)踐上都是不完善的，它不能做為真正的均勻時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。原因如下： 原則上講，每一種基本歷元表都可以有其自身的“歷書時(shí)”，例如由觀測(cè)月亮得出的歷書時(shí)與用太陽運(yùn)動(dòng)定義的歷書時(shí)就不一致； 歷 書

5、時(shí)定義中關(guān)聯(lián)到一些天文學(xué)常數(shù)， 天文常數(shù)系統(tǒng)的改變就會(huì)導(dǎo)致歷 書時(shí)的不連續(xù)； 實(shí)際測(cè)定歷書時(shí)的精度不高， 而且提供結(jié)果比較遲 緩，不能及時(shí)滿足需要高精度時(shí)間的部門的要求。 3. 國際原子時(shí)( TAI ) 1967 年第十三屆國際度量衡會(huì)議引入新的秒的定義，即 Cs133 原子基態(tài)的兩能級(jí)間的躍遷輻射的 70 周期所經(jīng)歷的時(shí)間作為 一秒的長度，成為國際制秒 (SI 秒)，由這種時(shí)間單位確定的時(shí)間系 統(tǒng)成為國際原子時(shí)( TAI )。國際原子時(shí)時(shí)刻起算點(diǎn)取為 1958 年 1 月 1 日 0hUT ，此時(shí)原子時(shí)與世界時(shí)極為接近，僅差 0.0039s 。國際 原子時(shí)由原子鐘提供， 它是目前用于天文上最

6、精確的時(shí)間， 而且可以 迅速得到。國際原子時(shí)自 1972 年 1月 1日正式啟用，但對(duì) 1956-1971 年期間原子時(shí)可以通過外推得出，因?yàn)?1956 年起國際上已開始建立 原子鐘系統(tǒng)。 4. 協(xié)調(diào)時(shí)（ UTC ）由于世界時(shí)有長期變慢的趨勢(shì)，世 界時(shí)時(shí)刻將日益落后于原子時(shí)。 為了避免發(fā)播的原子時(shí)與世界時(shí)產(chǎn)生 過大偏離， 1972 年起國際上發(fā)播時(shí)號(hào)多用協(xié)調(diào)時(shí)（ UTC ），其時(shí)間單 位為原子時(shí)秒長，其時(shí)刻與世界時(shí) UT1 的偏離保持不超過 0.9 秒， 方法是在年終或年底進(jìn)行跳秒， 即每次調(diào)整一秒， 調(diào)整前授時(shí)臺(tái)將預(yù) 先通知各應(yīng)用部門。 5. 力學(xué)時(shí)鑒于歷書時(shí)的嚴(yán)重缺點(diǎn)， 1976 年國際

7、天文協(xié)會(huì)從 1984 年起采用力學(xué)時(shí)取代歷書時(shí)。當(dāng)前天文學(xué)中常用的 力學(xué)時(shí)分兩種：相對(duì)于太陽系質(zhì)量中心的運(yùn)動(dòng)方程組以及由此得出的 歷表，引數(shù)用太陽系力學(xué)時(shí)表示，記為 TDB ；用于地心視位置歷表 的引數(shù)為地球力學(xué)時(shí)，記為 TDT 。太陽系力學(xué)時(shí)和地球力學(xué)時(shí)可以 認(rèn)為是歷書時(shí)在日心和地心坐標(biāo)系中的繼承。 地球力學(xué)時(shí)可以認(rèn)為是 在國際原子時(shí)的基礎(chǔ)上建立的時(shí)間系統(tǒng)。規(guī)定 1977 年 1 月 1 日 0h00m00sTAI 瞬刻，對(duì)應(yīng)地球力學(xué)時(shí)為 1977 年 1 月 1.00003725 日 （即 1日 0h00m32s.184 ）,力學(xué)時(shí)的基本單位為日，包含 86400 國 際制秒。由地球力學(xué)時(shí)

8、定義可知： TDT=TAI 32.184s TDT 對(duì) TAI 時(shí) 刻補(bǔ)償值 32.184s 正好選取原子時(shí)試用期間歷書時(shí) ET 與原子時(shí) TAI 之差的估算值，同時(shí)國際制秒秒長是用歷書時(shí)秒量度銫原子鐘頻率的 結(jié)果，所以地球力學(xué)時(shí)能與過去使用的歷書時(shí)相銜接， 而且可以把舊 歷表中的引數(shù)歷書時(shí)改為地球力學(xué)時(shí)繼續(xù)使用。 6. 恒星時(shí)（ SiderealTime ）恒星時(shí)是地球相對(duì)于恒星自轉(zhuǎn)導(dǎo)出的時(shí)間系統(tǒng)。若不計(jì)地球 自轉(zhuǎn)速率中的起伏和極移的微小影響， 地方恒星時(shí)是春分點(diǎn)時(shí)角。 地 方視恒星時(shí)是瞬時(shí)真春分點(diǎn)時(shí)角，地方平恒星時(shí)是瞬時(shí)平春分點(diǎn)時(shí) 角。格林尼治地理子午圈上（即地理經(jīng)度 =0 處）的恒星時(shí)稱

9、為格林 尼治恒星時(shí)。視或平地方恒星時(shí)與相應(yīng)的格林尼治恒星時(shí)之間的關(guān)系 為：地方恒星時(shí) =格林尼治恒星時(shí) + 其中是觀察者的經(jīng)度，向東計(jì)量 為正。由于地球在自轉(zhuǎn)的同時(shí)還在它的周年軌道上繞太陽公轉(zhuǎn)使得一 個(gè)回歸年（即太陽連續(xù)兩次經(jīng)過春分點(diǎn)的時(shí)間間隔） 包含的視恒星日 要比太陽日多一日 （即 366.2422 與 365.2422 ）。恒星時(shí)的基本歷元 是 1900 年 1 月 0 日 12h （ 1 月 0.5 天）的瞬間，其中小時(shí)以平恒星 時(shí)單位計(jì)量。 7. 儒略日期（ Julian Date ）儒略日數(shù)和儒略日期是 一種從一個(gè)基本歷元起消逝的日期進(jìn)行連續(xù)計(jì)數(shù)的簡(jiǎn)單方法。 這個(gè)歷 元選擇在過去的

10、歷史上足夠遠(yuǎn)， 使得處理天文觀測(cè)時(shí)不致于發(fā)生負(fù)的 儒略日期。歷元是公元前 4713 年 1月 1日 12h ，其中小時(shí)是以平太 陽時(shí)計(jì)量的。在這個(gè)瞬間的儒略日期正好為 0 日，世界時(shí)的基本歷元 1900 年 1月 1日 12hUT 對(duì)應(yīng)儒略日期為 2415020 。在現(xiàn)代工作中有 時(shí)出 現(xiàn) 約化 儒 略 日期 （Modified Julian Date ，MJD） ： MJD=JD 2400000.5 約化儒略日期是從 1858 年 11 月 17 日 0hUT 起算的。儒 略世紀(jì)：包含 36525 個(gè)儒略日。二 . 天體坐標(biāo)系天文學(xué)中普遍應(yīng)用的 坐標(biāo)系是球面坐標(biāo)系和直角坐標(biāo)系， 前者是從天球

11、的直覺形狀和缺乏 天體距離的知識(shí)自然產(chǎn)生出來的； 后者更適合解決理論天文學(xué)的問題 及表示包含坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的計(jì)算公式。 每一種球面坐標(biāo)系均以一個(gè)基本 圈(或參考圈) 和這個(gè)圈上的一個(gè)基本點(diǎn)為標(biāo)志。一種特定坐標(biāo)系的 名稱就取自基本圈，例如地平、赤道、黃道、銀道坐標(biāo)系的基本圈分 別為天文地平、天赤道、黃道和銀道。為了指明坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置， 需要使用一個(gè)附加的修飾詞。 原點(diǎn)位于觀測(cè)者的坐標(biāo)系稱為站心坐標(biāo) 系，位于地球中心成為地心坐標(biāo)系，位于太陽中心稱為日心坐標(biāo)系。1. 基本概念 (1) 天球( Celestial Sphere )：為研究天體的位置和 運(yùn)動(dòng)而引進(jìn)的一個(gè)假想的圓球， 稱為天球。 宇宙空間中

12、的各個(gè)天體同 地球上的觀測(cè)者的距離都不相同， 由于天體和觀測(cè)者間的距離與觀測(cè) 者隨地球在空間中移動(dòng)的距離相比要大的多， 所以看上去天體似乎都 離我們一樣遠(yuǎn) , 仿佛散布在以觀測(cè)者為中心的一個(gè)圓球的球面上，我 們所看到的是天體在這個(gè)巨大的圓球的球面上的投影位置， 這個(gè)圓球 就稱為天球。(2)北天極和南天極(north and south celestial pole) 地球自轉(zhuǎn)軸向北和向南的延長線分別與天球的交點(diǎn)。 (3) 天頂和天底 觀測(cè)者處的天文垂線向上和向下的延長線分別與天球的交點(diǎn)。 (4) 天 赤道( celestial equator )地球赤道平面向外延伸與天球相交所確 定的大圓。(

13、5)時(shí)角h：沿天赤道從子午圈的垂足向西測(cè)量到通過天 體的時(shí)圈的垂足的角度， 即在天赤道上，觀測(cè)站與天體的時(shí)差。 (6) 黃 道(ecliptic )地球公轉(zhuǎn)軌道面向外延伸與天球相交所確定的大圓。黃道面與赤道面的交角為23 27。(7)春分點(diǎn)(vernal equinox )太陽由天赤道以南穿到天赤道以北時(shí)與天赤道的交點(diǎn)。(8) 地平(horizontal )在觀測(cè)者的位置上，垂直于觀測(cè)點(diǎn)天文垂線的平面 與天球相交的大圓。 (9) 子午圈( meridian )垂直于地平面并通過天頂及北天極的大圓。 (10) 北點(diǎn)和南點(diǎn)子午圈與地平圈的北南交點(diǎn)。 (11) 黃極太陽公轉(zhuǎn)軸的延長線與天球的交點(diǎn)。

14、(12) 垂直圈通過天頂 及天底的任何大圓，垂直于地平。 (13) 時(shí)圈通過北天極和南天極的 任何大圓，垂直于天赤道。 (14) 黃經(jīng)圈通過黃極的任何大圓。垂直 于黃道面。(15) 銀道銀河系對(duì)稱面向外延伸與天球相交的大圓。 (16) 北銀極銀河系的自轉(zhuǎn)軸向北延長線與天球的交點(diǎn)。 (17) 銀心銀河系 的中心。 (18) 銀經(jīng)圈通過銀極的任何大圓。垂直于銀道面。 2. 地平 坐標(biāo)系( Horizontal Coordinate )地平坐標(biāo)系是以天文地平為參考 圈，以北點(diǎn)為基本點(diǎn)的天球坐標(biāo)系。 天體在天球上的位置以天頂角和 方位角來描述。 其中方位角是以北點(diǎn)為起點(diǎn)沿順時(shí)針方向計(jì)量的。 3. 赤道坐標(biāo)系( Equatorial Coordinate )赤道坐標(biāo)系是以天赤道為 參考圈，以春分點(diǎn)為基本點(diǎn)的天球坐標(biāo)系。赤緯：沿通過天體S 的時(shí)圈測(cè)出的從天赤道到天體的角度； >0 ：自天赤道向北 <0 ：自天赤道 向南赤經(jīng)：沿天赤道測(cè)出的從春分點(diǎn)向東到通過天體的時(shí)圈的垂足的 角度； 4. 黃道坐標(biāo)系( Eliptic Coordinate )黃道坐標(biāo)系是以黃道 為參考圈，以春分點(diǎn)為基本點(diǎn)的天球坐標(biāo)系。黃緯：沿通過天體的黃 經(jīng)圈測(cè)量從黃道到天體的角度； >0 ：自黃道向北； <0 ：自黃道向南； 黃