天文觀測的基礎(chǔ)知識

1、天文觀測的基礎(chǔ)知識為了進行天文觀測，就要學(xué)會認識星空，識別天體；因此，有關(guān)天體的坐標，天體的運動，天文觀測所用的時間系統(tǒng)，星座與星圖，以及星星的星等、顏色、光譜型等多方面的基礎(chǔ)知識，都是我們開展天文觀測活動時，必須首先了解的。1天球和天球坐標系進行天文觀測首先要從找星、認星開始。在茫茫的星空中，怎樣去尋找我們想要觀測的天體呢？這就必須知道天體在空中的“住址”，即它在天空的坐標。這樣的坐標是怎樣建立起來的呢？這就要從天球說起。（1）天球當我們仰望天空觀察天體時，無論是太陽、月亮還是恒星、行星，它們好像都鑲嵌在同一個半球的內(nèi)壁上，而我們自己無論在地球上什么位置，都好像是處于這個半球的中心。這是由于

2、天體離我們太遠了，我們在地球上無法覺察不同天體與我們之間距離的差異。因此，為了研究天體的位置和運動，可以引入一個假想的以觀測者為球心，以任意長為半徑的球，稱作天球。由于地球在浩瀚的宇宙中可以看作是一個質(zhì)點，地心也可以當作地球的中心，因此可以假想一個地心天球，它是以地心為中心、無窮遠為半徑的球。有了天球，我們認識天體就方便了，因為不論天體離我們多么遙遠，我們都可以把它們投影到天球上，并用它們在天球上的視位置來表示它們。在天球上，兩顆星之間的距離如同在球面上兩點間的距離一樣，用角度來表示，稱為角距。顯然，角距與兩顆星的真實距離是兩回事：角距很小的兩顆星實際距離可能十分遙遠。星體的大小一般用視角直徑

3、（簡稱角直徑），即從地球上看去它所張的角來表示。同樣，視角直徑也不是天體的真實大小。例如，月亮和太陽的視角直徑大約都是1/2度，但月亮的大小與太陽相比簡直可以忽略不計，只是由于月亮離地球很近才看起來很大。1 / 12（2）天球坐標系為了描述天體在天球上的視位置，就要在天球上建立起坐標系，稱天球坐標系，就像我們?yōu)榱嗣枋龅厍蛏夏骋稽c的位置需要建立地球坐標系（如用地理緯度和地理經(jīng)度表示）一樣。事實上，天球坐標系與地球坐標系的模式很相似。例如，天球上的赤道坐標系（也稱第二赤道坐標系）就可以看作是地球坐標系在天球上的延伸：把地軸（地球的自轉(zhuǎn)軸）無限延長就是天軸；天軸與天球相交的兩點就是北天極和南天極；地

4、球赤道面的延伸與天球相交的大圓就是天赤道；與地球上的緯圈、經(jīng)圈類似，天球上也有相應(yīng)的赤緯圈和赤經(jīng)圈，不過天球上經(jīng)圈的起始點與地球不同。這樣，天體在天球上的位置就可用赤緯、赤經(jīng)來表示。除了赤道坐標系外，天文觀測中常用的天球坐標系還有地平坐標系、時角坐標系（也稱第一赤道坐標系）、黃道坐標系等，它們是以天球上不同的基本點、基本圈為基礎(chǔ)建立起來的。有關(guān)天球上各基本點、基本圈的定義，怎樣以它們?yōu)榛A(chǔ)建立起各種天球坐標系，不同坐標系的特點以及它們之間的相互關(guān)系，請參見附錄。不同天球坐標系各有其特點，因而也有不同的用途。例如，在赤道坐標系中，赤經(jīng)的起算點是天球上的固定點春分點，春分點與天體一同作周日視動，它

5、與天體的相對位置不因天體的周日視動而改變；而赤緯的值也只由天體和天赤道決定；因此，一個天體的（，）值是確定的，不受觀測時間和觀測地點的影響。所以在星表中多用（，）表示天體的位置。再如，地平坐標系是以觀測者為參照點建立起來的，具有“地方性”特點，即在不同時間、不同地點觀星，星星的地平坐標（A，h）均不相同。但由于它的參照物是地平圈，比較直觀，只要知道某個天體在某一時刻的方位角A和地平高度h，就可以方便地在天球上找到它的位置，因此利用它非常便于觀測。在時角坐標系中引入時角t對于尋找天體也很方便。由于天體的時角隨周日視動變化，每小時變化15º，因此只要知道了某時某處天體的時角，就可以方便地

6、把望遠鏡瞄向這個天體。2為了進行天文觀測，就要學(xué)會認識星空，識別天體；因此，有關(guān)天體的坐標，天體的運動，天文觀測所用的時間系統(tǒng)，星座與星圖，以及星星的星等、顏色、光譜型等多方面的基礎(chǔ)知識，都是我們開展天文觀測活動時，必須首先了解的。人們很早就注意到，在絢麗多彩的夜空，繁星三五成群，構(gòu)成各種美麗的圖案。由此，人們把天上的恒星劃分成許多不同的區(qū)域，稱為星座。根據(jù)不同星座中較亮的星所組成的圖形，人們?yōu)樗鼈兤鹆嗣郑⒕幾嗽S多美麗的故事。例如，我國關(guān)于牛郎織女的傳說，就緣于銀河兩側(cè)的牛郎星和織女星；而希臘人則把牛郎星及其周圍的星想象成一只矯健的天鷹，把織女星及其周圍的星想象成一架巨大的天琴，天鷹座、

7、天琴座由此得名。中國古代把恒星天空劃分成三垣二十八宿，“垣”是墻的意思，“宿”是住址的意思。日月穿行在黃道附近，把黃道附近的星分成28個大小不等的星區(qū)，叫二十八宿，月亮在繞地運動過程中，每日從西往東經(jīng)過一宿。二十八宿以外的星區(qū)劃分為三垣：紫微垣、太微垣和天市垣。紫微垣包括北天極附近的星區(qū)，太微垣大致包括室女座、后發(fā)座和獅子座，天市垣包括蛇夫座、武仙座、巨蛇座和天鷹等星座。1928年，國際天文學(xué)聯(lián)合會決定，將全天劃分為88個星座，其中沿黃道天區(qū)的有12個星座，太陽的視運動穿過這里。星座中的每顆星也有自己的名稱。我們祖先早就給天上的亮星起了名，有根據(jù)神話故事命名的，如牛郎星、織女星、天狼星、老人星

8、等；有依據(jù)中國二十八宿命名的，如角宿一、心宿二、婁宿三、參宿四和畢宿五等；也有根據(jù)恒星顏色命名的，如大火星（心宿二）；還有依據(jù)恒星所在天區(qū)命名的，如天關(guān)星、北河二、北河三、南河三、天津四、五車二和南門二；等等。1603年，德國業(yè)余天文學(xué)家拜爾建議“平等對待”這些恒星，不能只給亮星起名，他提出：每個星座中的恒星從亮到暗順序排列，以該星座名稱加一個希臘字母表示。例如，獵戶座中有獵戶座（參宿四）、獵戶座（參宿七）、獵戶座（參宿五）、獵戶座（參宿三）等。如果某個星座的恒星超過了24個或者為了方便，就用星座的名稱后加阿拉伯數(shù)字表示，如天鵝座61星、天鵝座32星、雙子座65及兔座17等。天文學(xué)家有時直呼它

9、們的星表號，這也是一種星名，如獵戶座星也叫HD 39801或BD+7 1055等（HD和BD分別代表星表名）。這美麗星空的88個星座不是每個地區(qū)的人們都能看到，如北京地區(qū)只能看到60多個星座。由于地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，人們在不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同時間看到的星空都不同。3天體的視運動我們白天看到太陽東升西落，夜晚見到斗轉(zhuǎn)星移。這是由于地球處于不斷的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)運動中，因此仿佛看見天體在運動，這就是天體的視運動。（1）天體的周日視動地球自轉(zhuǎn)是自西向東轉(zhuǎn)，24小時一周，人在地球上覺察不到地球運動，卻看到天體都從東方升起、西方落下，這就是天體的周日視動。如果你對著北極星附近照相，采用長時間的曝光（如長于6

10、小時），底片上就會看到所有天體圍著北天極轉(zhuǎn)的運動軌跡。地球上不同緯度處天極的高度等于當?shù)氐牡厍蚓暥龋驹诓煌暥忍幍挠^測者，看到的天體的升落情況也不同。站在兩極觀星。在地球北極或南極，天極與天頂重合，天赤道與真地平重合，此時所看到的天體，其周日運動的軌跡平行于地平圈，即所看到的天體都是圍繞觀測者平行于地平打轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。在北極只能看到北半天球的星，永遠看不到南半天球的星；而在南極只能看到南半天球的星，永遠看不到北半天球的星。在北半球夜里可看到北極星在天頂，其他北天球的星全圍繞著天極平行于地平轉(zhuǎn)圈，沒有升與落。站在赤道觀星。在地球赤道地區(qū)看到的情景是，所有天體都在垂直于地平面的平面內(nèi)運動，可看到全天球的

11、星；中午時，太陽當頭照，立桿不見影。站在赤道觀星 站在兩極和赤道之間觀星 站在兩極和赤道之間觀星。在此范圍內(nèi)，天軸與地平的傾角等于當?shù)氐牡厍蚓暥?，地球緯度越高，天極離地面越高，可看到的另外半天球的星就越少。例如，在北京，北極星的高度約40º，在昆明看到北極星的高度只有25º；而在赤道以南地區(qū)，北極星則不能看到。（2）太陽的周年視動由于地球公轉(zhuǎn)，地球上的人們看到太陽在天球上相對其他恒星背景有視運動，這叫做太陽的周年視運動。一年內(nèi)太陽“穿行”于沿黃道帶的12個星座，有人把這些星座叫黃道十二星座。太陽在天球上的位置每個月移動一個星座。例如，大約兩千年前，春分前后太陽在白羊座，以后

12、依次經(jīng)過金牛座、雙子座、巨蟹座、獅子座、室女座、天秤座、天蝎座、人馬座、摩羯座、寶瓶座、雙魚座。由于歲差的影響，現(xiàn)今春分日前后太陽的位置已移至雙魚座靠近寶瓶座的地方。黃道與天赤道有兩個交點，太陽在周年視運動過程中沿黃道由天赤道以南穿到天赤道以北的那個交點叫春分點，從天赤道以北穿到天赤道以南的那個交點叫秋分點；黃道上與春分點相距90º且在赤道以北的那一點叫夏至點，與夏至點相對的那一點叫冬至點。太陽每年公歷3月21日前后到達春分點，6月22日前后到達夏至日，9月23日前后到達秋分點，12月22日前后到達冬至點。在地球不同緯度處，一年四季看到太陽的視運動是不一樣的。在北半球中緯地區(qū)，春分日

13、和秋分日太陽正好位于天赤道上，早晨日出正東，傍晚落于正西，白天、黑夜等長。春分過后，太陽北移，太陽從東北方升起，西北方落下，白晝漸長，黑夜?jié)u短。此后，正午時太陽高度逐漸增高，夏至日達到最高，白晝最長。夏至過后，太陽正午高度逐漸降低，白晝也逐漸變短，至秋分日又晝夜平分。秋分過后，太陽南移，正午高度繼續(xù)降低，冬至日達到最低，白晝最短，太陽從東南方升起，西南方落下。在赤道地區(qū)，春分日和秋分日中午太陽都位于頭頂。從春分到秋分，太陽在天頂北；從秋分到春分，太陽在天頂南。一年中無論哪一天，太陽總沿著與地平圈垂直的路線直升直落，四季晝夜平分。在北極，從春分到秋分，有半年不落的太陽；而另外那半年，則是連續(xù)的沉

14、沉黑夜。春分過后，太陽每天一圈沿地平線打轉(zhuǎn)，十分艱難地慢慢爬升，到夏至爬到最高；往后又緩慢下落，到秋分時落下地平線，半年以后的下一個春分，才會再升起。南極的情況與北極正好相反，從春分日到秋分日太陽永不上升，而從秋分日到春分日太陽永不下落。在北極圈上，夏至日那天太陽不落，在半夜時它只和地平相切于北點；冬至日那天太陽不上升，只在中午時于南點附近光芒一現(xiàn)。（3）星空的四季變化由于地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)，我們看到天球上星座的位置也在不斷變化，不僅每天有升有落，而且不同季節(jié)的同一時間看到的星空也不一樣。例如，就黃道帶附近的天區(qū)而言，每年春季，夜晚人們主要看到的是獅子座、室女座等星座；每年秋季，夜晚看到的主要是

15、寶瓶座、摩羯座等星座。每過三個月，同一個星座就要提前6小時出現(xiàn)。與太陽的周年視動一樣，在地球的不同緯度處，一年四季看到的星座也是不同的。4天文觀測的時間系統(tǒng)時間的計量對于天文觀測是很重要的，這里我們僅介紹幾個由地球自轉(zhuǎn)周期確定的時間系統(tǒng)。（1）平時與恒星時平時。我們?nèi)粘Ｉ钏玫臅r間系統(tǒng)稱為平時，在這種時間系統(tǒng)中以地球自轉(zhuǎn)一周的時間作為一日。若地球的自轉(zhuǎn)以真太陽（即太陽的視圓面中心）為標準，則地球自轉(zhuǎn)一周的時間叫做一個真太陽日，相應(yīng)的有真太陽時、分、秒等。真太陽時作為一種計時系統(tǒng)是不方便的，因為地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的速度不均勻。因此，天文學(xué)家引入一個以平均速度運動的假想的平太陽作為衡量地球自轉(zhuǎn)速度的

16、標準，相應(yīng)的日叫平太陽日。恒星時。真太陽有視圓面，很難觀測準確；而平太陽是假想點，無法觀測。因此實際的測時工作常借助于恒星，于是就有了另一個計時系統(tǒng)恒星時，它以某顆恒星為標準來度量地球的自轉(zhuǎn)，由此可得到相應(yīng)的恒星時、分、秒。平太陽日和恒星日兩個時間單位長短不同平太陽日比恒星日長，一年里有365.25個恒星日，因此恒星鐘比平時鐘每天快4分鐘左右。恒星時在平常生活中不使用，但在天文觀測中卻離不開它。由恒星時的定義可知，恒星時S在數(shù)值上等于春分點的時角tr，即等于任一恒星的赤經(jīng)與其時角之和：進行天文觀測時只要知道了地方恒星時S和某星的赤經(jīng)，就可由上式算出它的時角，利用望遠鏡的赤緯盤和時角盤就可以方便

17、地對向天體進行觀測。當恒星上中天時它的時角=0，則有S=；因此恒星時等于上中天的恒星的赤經(jīng)。進行天文觀測必須要熟悉和掌握恒星時和平時的換算。（2）地方時、世界時和區(qū)時地方時。恒星時、平時都具有地方性，都是地方時。這是因為在這些時間計量系統(tǒng)中，計量時間的起算點是天體過上中天，而對于不同地理經(jīng)圈的兩地，它們的天子午圈是不同的，因而不同地點時刻起算點各不相同，這就形成了各自的時間計量系統(tǒng)地方時系統(tǒng)。不同的兩地同時觀測同一天體，其時角之差，等于這兩地的地理經(jīng)度之差。因而，只要兩地經(jīng)度有差別，兩地的地方時刻就不相同。例如，我國幅員遼闊，當東部烏蘇里江的漁民迎來黎明的曙光時，西部帕米爾高原還在深夜。世界時

18、。為了統(tǒng)一時間計量，國際上統(tǒng)一規(guī)定了全球的標準時，它是以英國格林尼治天文臺原址所在的子午線起算的，即格林尼治的地理經(jīng)度=0º，該地的地方平時就作為世界時，用字母M表示；其他地方的平時與世界時的關(guān)系為：m=M + 東經(jīng)取正，西經(jīng)取負。知道世界時，就可求出任一地方的地方時，或反之。區(qū)時。為了適應(yīng)電信和交通發(fā)達后國際交往的需要，避免由于地方時不同造成的不便，1884年在華盛頓舉行的國際子午線會議規(guī)定，全世界統(tǒng)一實行分區(qū)計時制。根據(jù)地理經(jīng)度，以0º，15º及15º倍數(shù)的經(jīng)線為標準時線，將全球分成24個時區(qū)，每15º一個區(qū)。在同一時區(qū)內(nèi)，都采用中央經(jīng)線上

19、的地方平時作標準時間，相鄰兩時區(qū)的標準時間相差整一小時。根據(jù)這一原則，東、西兩半球各分12個時區(qū)。格林尼治子午線為零時區(qū)的中央子午線，兩旁各7.5º的經(jīng)度范圍屬零時區(qū)，這一時區(qū)內(nèi)采用格林尼治地方時，即世界時。依次類推有東一、東二、東三東十二時區(qū)；西一、西二西十二時區(qū)。東十二時區(qū)和西二十時區(qū)重合，共同使用180º經(jīng)線的地方時，但日期不同。這樣劃分，區(qū)時和地方時相差不過半小時，對人們的生活影響不大。顯然，區(qū)時等于世界時M與時區(qū)號（N）相加，東時區(qū)為正，西時區(qū)為負。為了統(tǒng)一全球的日期，國際規(guī)定，在太平洋中以180º經(jīng)線為準，避開陸地和島嶼畫一條國際日期變更線，叫做日界線

20、。若從東十二區(qū)進入西十二區(qū)，日期減一天；反之，日期加一天；時間不變。不同國家根據(jù)自己的法律規(guī)定使用自己國家的統(tǒng)一區(qū)時。我國從東向西橫跨五個時區(qū)，中華人民共和國成立后，我國統(tǒng)一采用北京所在的東八時區(qū)的區(qū)時，即東經(jīng)120º經(jīng)線的地方時為“北京地間”。需注意，北京時間不是北京地方平時，兩者相差約14.5 分鐘。北京區(qū)時=世界時+8小時中央人民廣播電臺發(fā)出的時刻就是北京區(qū)時，減去8小時就是世界時。北京區(qū)時與地方恒星時的換算。如果在地理經(jīng)度為的地區(qū)進行觀測，觀測時北京區(qū)時為T，那么此時的地方恒星時S可由下式確定：S=S0+（T-8）（1+1/365.2422）+式中S0為格林尼治0時的地方恒星

21、時，可查天文年歷得到。前已述及，知道了地方恒星時S，就可由S=知天體的時角，進而對天體進行觀測。（3）天體的出沒時刻天體的出沒時間是變化的，不掌握它的規(guī)律和特點也不能順利進行天文觀測。由于地球繞日公轉(zhuǎn)一周需365日，所以太陽在天球上沿著黃道每天大約東移1º即每天提前4分鐘降落地平，因此同是一顆星，第二天就比前一天早升起4分鐘。對于任何觀測地區(qū)（地理緯度，地理經(jīng)度），天體出、沒地平進天體的天頂距均為90º（即z=90º）。通常，查星表可知天體在一定歷元（起算年代，如2000.0年）的天球赤道坐標和，由坐標換算公式且天體出、沒地平時，可得由此式給出兩個解：t的正值與t

22、 的負值，前者為天體沒地平的時角，后者為天體出地平的時角。由恒星時S和時角t的關(guān)系式S=可由，求出S，再由上述恒星時和北京時T的關(guān)系，可以推算出北京時間或世界時間，如此可以求出天體出、沒地平的北京時和世界時。天體出沒的方位角A也可由坐標變換公式得到：由于且，可得此式給出兩個解：A<180º時對應(yīng)于沒地平的方位；A>180º時對應(yīng)于升地平的方位。對于太陽和月球，以上邊緣出、沒于地平算作它們的出沒。由于地球大氣折射的影響及太陽和月球的視圓面比較大，計算它們的出沒時刻和方位角，注意用天頂距代入坐標換算公式。5天體的亮度和星等夜空中的星星有亮有暗，這種明暗的程度就是星星

23、的亮度。古人很早就試圖把星星的亮度劃成不同的等級。公元前2世紀，古希臘的天文學(xué)家喜帕恰斯就繪制了一份標有1000多顆恒星位置和亮度的星圖，并根據(jù)目視觀察把恒星亮度劃分為6等。這一有關(guān)星等的概念一直沿用至今。（1）天體的亮度和視星等喜帕恰斯把肉眼看到的星分為6等，最亮的星定為1等星，勉強看到的暗星定為6等星。1850年，普森注意到喜帕恰斯定出的1等星比6等星大約亮100倍，也就是說，星等每相差1等，其亮度之比約等于2.512。即；1等星比2等星亮2.512倍；2等星比3等星亮2.512倍。根據(jù)這一關(guān)系，普森建立了星等和亮度關(guān)系的公式。設(shè)兩顆星的亮度分別為E1和E2，則它們的星等m1與m2之差為：

24、)此星等對應(yīng)著天體的視亮度，所以叫視星等。表1.3.1 天體的視星等天體名稱視星等天體名稱視星等太陽滿月金星火星木星水星土星冥王星26.712.74.42.82.61.60.3+14天狼星老人星織女星牛郎星北極星1.460.72+0.03+0.77+1.99肉眼可見最暗星現(xiàn)代地面最大望遠鏡可見最暗星+6暗于+23行星給出的是最亮?xí)r的視星等。建立了新的星等標度后，星等的范圍也向兩端延伸了，比1等星亮的有0等星和負的星等，比如天狼星為1.46等，太陽的視星等為26.7等，滿月的視星等為12.7等（表1.3.1）。天文學(xué)家稱光度大的星為巨星、超巨星，光度小的星為矮星。在恒星世界里，光茫萬丈的太陽不過

25、是一個矮星。恒星世界豐富多彩，一些超巨星如天津四，它的絕對星等大約為等，其光度比太陽強6萬倍。而光度小的矮星如天狼星的伴星，它的絕對星等為11.5等，光度不及太陽的萬分之一。6星表、星圖、天文年歷和星圖軟件星表、星圖、天文年歷和星圖軟件是進行天文觀測必不可少的工具，了解它們的內(nèi)容并學(xué)會使用，將給你帶來許多方便。星表 星表是恒星的“戶口登記冊”，它記載著恒星的各種數(shù)據(jù)，如位置、星等、色指數(shù)、光譜型等?？d其他天體，如變星、星云、星團、星系、射電源、X射線源等的表冊也叫星表；如變星總表、射電源表等。目視星表中最重要的是德國天文學(xué)家阿給蘭德于1863年出版的波恩巡天星表（簡稱BD）和1886出版的續(xù)表，兩表共包含星等到9等的恒星457 847顆，赤緯從23º +90º。1964年出版的亮星星表（CBS）給出了9091顆亮星的位置、亮度、光譜類型、自行、視差等，是天文愛好者的好幫手。天體測量用的星表，星的位置都可準確到0.01，如第五基本星表（FK5）?，F(xiàn)代星數(shù)最多的基本星表是博斯星表，它共包含有33 342顆恒星的赤經(jīng)、赤緯和自行的數(shù)據(jù)。丹麥天文學(xué)家德雷耶爾于1888年編的星云星團新總表（簡稱N