《天文基础知识》

第二章 天体视运动

地球围绕太阳公转，是太阳系的一颗行星，而太阳系位于银河系的旋臂上围绕银心旋转，除了银河系外还有很多大大小小的星系，这些星系之间也存在相对运动，这是天体的客观运动，选择的参考系是太阳、银心或是其他星系中心。那么此时想要描述一颗银河系中除太阳外的恒星的运动就是围绕银心运动，参考系是银心，但是该星与地球相对运动就很难描述。然而作为爱好者的我们观察天体时，我们所能观察到的天体运动就是天体相对地球的运动，也就是天体视运动，此时参考系是地球。

第一节 天球是什么

在最初接触天文的时候，你可能没听说过天球，也没见过浑天仪，但是地球是我们生活的地方，中学地理也学习过地球，在本书第一章中，也对地理知识进行了一些回顾，大家重新认识了地轴、黄道平面、赤道面、经度、维度等为了更好地描述地球运动而抽象出来的一些概念。

为了方便描述人们所观察到的天体运动状态，引入了天体视运动的概念。为了描述天体视运动时更加准确方便，就必须以地球中心作为原点建立坐标系，建立这个坐标系有两种选择：第一种是建立我们熟悉的空间直角坐标系，第二种是建立球面坐标系（天球）。既然最后选择了第二种，就说明空间直角坐标系存在着一些难以解决的难题，或者没有天球来的方便。在中学时期，我们就接触到了空格键直角坐标系，建立三条互相垂直的基准轴（x，y，z）空间中的点向三条基准轴垂直投影与基准轴相交，得到三个坐标。理论上应用这种坐标系是能够描述天体视运动的，但是存在以下问题：

1）基准轴的指向问题，空间直角坐标系将空间分为8个象限，这些象限中的天体坐标有正有负，人们在描述天体空间位置时更倾向于相同符号，所以基准轴不同的方向会导致8个象限中天体数量不同，因此基准轴的方向选择是一个问题，选哪个方向更方便？

2）地球是一个球面，不位于坐标平面的地点观测角度与坐标原点存在3个角度差，对天体位置的确定影响较大。

3）天体精确位置的确定，通过理论研究和实践得知，在空间直角坐标系中精确测定天体位置需要角度和距离，角度容易得到，但是距离很难测得。

除以上三个问题外，空间直角坐标系还存在一些其他问题。然而使用球面坐标系就能精确且简便地描述出天体的位置。

人们以地球为中心假想出一个半径无穷远的球体，也就是“天球”，所有天体都位于天球中。地球与天体之间、天体与天体之间距离很远，观测者的观测时间也较短，因此天体可以认为是静止不动的，那么天体的视运动就是由地球自转造成。但是我们看到的是天体的东升西落，因此在研究天体视运动时，认为天体睡着天球自东向西旋转。参考描述地球时引入的南北极、地轴等概念定义了天球的极点、极轴、赤经、赤纬等概念。

图2-1天球示意图

天轴：地轴无限延伸与天球球面的交点，天球的旋转轴

天极：天轴南北两端与天球球面的交点称为南天极和北天极

天顶和天底：观测者正上方与天球球面相交的交点称为天顶，反方向为天底

天赤道：赤道无限放大后与天球球面相接而成的“周长最大”的赤纬圈

子午圈：以地球为中心，过天极和天顶的大圆，是观测者所在地理经圈的延伸

时圈：以地球为圆心，通过天极和天体所作大圆称为时圈

时角：天子午线自东向西到天体所在赤经圈在天赤道上所夹弧度，主要由地球自转引起，常以时间为单位

赤经：从春分点(注释：天赤道与黄道面的交点）沿着天赤道向东到天体时圈与天赤道的交点所夹的角度（通过春分点的赤经圈与通过天体的赤经圈之间在天赤道上的弧段）称为该天体的赤经

赤纬：天体、地球和天赤道的夹角，是角度单位。天赤道0°，北天极90°，南天极-90°

天球的球面是假想出来的，与地球距离无穷远，然而各天体和地球的距离并不相等，也就是天体并不位于天球球面上，那么怎么描述天体呢？

回想一下，地球上的任何一个点都是用经纬度来表示的，那么位于天球球面上的点也就可以利用赤经和赤纬来表示，对于不在天球球面上的天体，我们将地球与天体连线并延长与天球球面相交，交点也就是地球对天体在天球球面上的投影，投影、天体和地球共线，因此可以用投影的经纬度表述天体经纬度，这样就能精准的表示出天体相对地球的方向，不需要测出距离就能对天体视运动做出描述。