天球坐标系

作者:高孟嘉

从托勒密到哥白尼,包括中国的盖天说和浑天说,古代各种宇宙观都认为恒星运作在一个平面上。如今,我们虽然已经知道了恒星和我们的距离各不相同,但是还是延续这一观点,引入“天球”的概念,这是为什么呢?

天球是以观测者为中心、无限远为半径的假想球体,把与我们距离各异的天体都投影到上面,这样一来,我们就可以放心地使用球面几何学啦。而且在天球中我们只需要考虑天体的方位,而天体到地球的距离也就不是我们要考虑的对象啦!

 “天球”概念图(图片来源于网络)

 

有了天球,下一步我们就要说天球坐标系啦。大家都知道,在平面坐标系中已知两个参数就可以确定一个位置,在三维直角坐标系中,确定一个位置则需要三个参数,而在天球坐标系中,因为标准的球形给了我们便利,所以我们只需要两个角度,就可以确定球面上唯一一点。     

在球面坐标系中已知两个角度即可确定唯一一点(图片来源于网络)

在介绍各种天球坐标系之前,让我们先来了解一波基本概念(注意粗体的名词哦):

在天球坐标系中,任意选定的大圆称为基圈。任意选定与基圈垂直的大圆,称为主圈(始圈)。选定的基圈与主圈的一个交点,称为主点(原点)。经过给定点与基圈垂直的大圆称为副圈(终圈)。规定给定点与天球中心连线与基圈的夹角为第一坐标,主圈与副圈夹角为第二坐标

天球坐标系基本概念(图片来源于网络)

 

    惊!前方高能!一大波坐标系正在靠近!

1、地平坐标系

  地平坐标系是一种最直观的天球坐标系,它以观测者所在的地平面与天球相交的大圆(地平圈,即为基圈)为界,将天球分为可见半球和不可见半球两部分,垂直于地平面的直线与可见半球交于天顶,与不可见半球交于天底。通过天顶和天底可以作无数个与地平圈相垂直的大圆,我们将其称为地平经圈(副圈);而与地平圈平行的小圆,称为地平纬圈。通过南点、北点的地平经圈称子午圈(主圈)。

  在地平坐标系中,第一坐标为地平高度(h),即天体与地平圈的角距离,是天体与球心连线同地平面的交角,也就是天体的仰角;第二坐标为天体的方位角(A),它是天体,对于子午圈的角距离,也就是天体所在地平经圈与子午圈的夹角。由于主圈和基圈的地方性,天体的两个坐标随地点、时间的改变而改变。

 地平坐标系(图片来源于网络)

 

2、第一赤道坐标系

第一赤道坐标系又称时角坐标系,它以天赤道(将地球的赤道面无限延伸后和天球相交的大圆圈)为基圈,以子午圈为主圈,以天球上通过天极的大圆(即为时圈)为副圈。作为赤道坐标系之一,时角坐标系常在天文观测中使用。

在时角坐标系中,第一坐标称为赤纬(δ),是天体相对于赤道的角距离,即天体视方向与天体赤道平面的交角。第二坐标称为时角(t),是天体相对于子午圈的角距离,即天体所在的时圈与子午圈的交角。由于基圈没有地方性,因此天体赤纬不随观测地点和观测时间的变化而变化,但是由于主圈有地方性,因此观测地点及观测时间均影响时角。

第一赤道坐标系(图片来源于网络)

 

3、第二赤道坐标系

为了防止出现同一天体在不同时间、地点有不同坐标的情况,我们引入了第二赤道坐标系。赤道坐标系以天赤道为基圈,以春分圈(春分点经过的赤经圈)为主圈。第一坐标为赤纬(δ,同第一赤道坐标系);第二坐标为赤经(α),也就是是天体相对春分圈的角距。这样,第一二坐标都不随观测时间和地点的变化而变化,如此情况下的坐标,只需要注明年份(也就是历元啦~),就可以编制星表啦。

 

第二赤道坐标系(图片来源于网络)

三种天球坐标系(制表:赵经远)

 

 好啦,说了这么多,大家感觉如何呢?(小星偷偷告诉你,天球坐标系还有很多种类没说呢!)不过呢,大家也不用着急,以后的时间还长着呢嘛,想要获得更多的天文知识,请跟紧小星的脚步哦!


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