來補充點一些基本的天文知識吧. 知識就是一切, 知道越多, 我們就可以應用更多喲.
星星的移動:
常在戶外觀星的話, 可以注意到, 星星是會慢慢移動的. 其實大家只要搬張桌椅跟朋友們到庭院喝茶聊天欣賞夜色. 或是現在最夯的露營, 在戶外和朋友們用餐聊天的時候留意一下天上的星星. 幾壺茶的時間後, 沒一會兒就可以發現, 星星的位置就完全不一樣了.
如果再更仔細的留意一下, 似乎越靠近北極星的位置, 星星就動得越慢喲. 如果你仔細觀察北方的仙后座跟小熊星座, 更可以注意到, 素乎所有的星星的運動方式就是緩緩的繞著北極星慢慢的以逆時針的方式轉動著.
下面用iPad 星座軟體 SkyWalker2 模擬出來的結果. 從晚上 6:00pm, 7:00pm, 8:00pm, 9:00pm 共四個小時, 仙后座小熊星座沿著北極星移動的狀況.
所以整個星星的運動, 就像星座盤的原理一樣. 星星其實是固定不動的, 固定在如下圖所示圓形星座盤的內盤上. 這個圓形內盤則隨著時間的改變沿著一個固定點慢慢轉動. 那個固定轉動軸點位於北方的天空, 被稱之為極軸. 而北極星恰巧位於這個星星們所圍繞的轉動軸點的附近. (所以被叫做北極星, 因為幾乎固定在北邊位置不隨時間改變而改變.)
再更仔細的觀察些, 甚至可以觀察到喲, 在距離這個轉動極軸位置約90度距離的附近的星星, 星星的移動速度達到最快! 這附近的星星, 仔細觀察他們的速度, 大概每4分鐘會移動約橫跨一個小指寬(1度)的距離, 每20分鐘會移動約食指中指無名指三個指頭(5度)的距離. 而移動一個拳頭寬(10度)的距離大概要花40分鐘啦!
隨著大家對大自然的運行規則了解越來越清楚之後. 現在知道的越來越清楚了, 原來遠處靜止的星星, 距離我們這麼遠, 這一切都是幻覺啊. 一堆星星距離我們地球幾萬幾百萬幾千萬光年的距離, 他們移動的速度再快, 也不太可能在地上的我們可以看到他們可以移動的這麼快啊, 才幾分鐘就跑了這麼多的距離. 再來, 怎麼可能如此週而復始的像時鐘般, 有如每日太陽日出日落, 如此日復一日的週期規律移動呢? 這一定有問題啊.
原來, 原來這一切的一切幻覺都是來自於地球的自轉. 也就是說, 星星幾乎是靜止的, 是我們所在我們覺得靜止的地球正在不停地轉動讓我們以為他們在移動啦. 天上星星規律轉動般的移動, 也是地球在自轉的現象跟證據之一啦!
天球跟天球的赤道座標系統:
天球是一個假想的與地球同球心, 跟地球有相同自轉軸, 半徑無窮大的一個靜止球體. 宇宙中所有的天體的位置都可以視為在天球上某個位置的投影. 地球的赤道向外延伸, 投影到天球上就是天球的赤道. 地球的極軸投影到天球的極軸, 就是天球的極軸. 因為地球相對於天球, 在天球內不斷的轉動著. 所以在地球上的觀察者我們, 反而覺得我們是靜止的, 而是承載著星星天體的天球自己朝地球自轉的相反方向在轉動了.
如圖所示天球觀念最重要的就是, 他其實是靜止圍繞在地球外面不隨地球自轉, 所以星星跟天體的在天球上的座標不受到地球轉動的影響. 在天球上, 我們得到一個靜止的跟真實反應星星或天體在宇宙中位置的座標.
地球上我們用經度跟緯度的球座標來標定上面的地理位置. 依法炮製, 我們可以在天球上採用類似的赤道系統, 我們用類似的經度概念的赤經, 緯度概念的赤緯的球座標來標定在天球上星星跟天體的位置. 在天球上, 利用赤經赤緯這樣的座標系統就被稱之為天球的赤道座標系統. (赤道儀的物理構造就是反應出天球的赤道座標系統, 所以赤道儀名字就是這樣來的)
在天球上的赤道座標系統下, 因為天球是靜止於宇宙的 (但地球上的觀察者認為他在轉動), 星星跟天體的在天球上的座標不受到地球轉動的影響, 我們得到一個靜止的跟真實反應星星或天體在宇宙中有無真正移動的球座標: 赤經, 赤緯.
所以現在就方便了, 所有的星星或是天體在天球上都有一個屬於自己的靜止的赤經/赤緯座標, 不會因為地球的自轉而改變. 如果這個天體在天球上的赤經/赤緯會隨時間而改變, 那代表這個天體在宇宙中不是靜止的, (例如:彗星) 正在移動之中.
來舉個例子, 天空中著名的獵戶座大星雲M42目前在天球中的座標是, 赤經:05h 35m 17.3s 赤緯:-05° 23′ 28″ 這個星雲目前尚未沒發現它是會移動的, 所以大概可以維持在這個座標位置幾萬年吧. 只要知道星體的天球座標後, 再透過觀測者目前在地球上的位置(緯度), 時間(經度), 就可以知道目前天球跟地球相對轉到哪裡了, 進而推知地球上所要觀測星體在天空的位置.
另外由於赤道儀的物理構造是仿效天球中的赤道座標的, 所以對一個未知星體, 只要知道赤經/赤緯的座標, 有赤道儀的天文望遠鏡, 是很容易轉到特定赤經/赤緯位置來捕捉觀測這個未知星體的.
太陽日跟恆星日:
請問大家, 地球自轉一圈是幾小時啊? 這還不簡單, 不就 24 小時嘛!
錯! 啥?? (錯愕) 怎麼會呢??
其實地球自轉一圈是不到24小時的, 大家一定很意外吧. 怎麼會這樣呢!
原來, 我們所習慣的一天, 更精確的講並不是地球自轉一圈的時間. 而是比一圈還再多一點點. 這多出來的一點點從哪來的?
我們所習慣的一天 24小時, 必須由太陽的日出日落來定義. 實際上由太陽的正午來定義. 太陽今天到正午, 太陽在日規影子最短開始計算, 一直到第二天的正午太陽再次在日規影子最短結束. 這樣的時間間隔切割成24等分, 每一等份定義為一小時. 這就是我們熟知的一天, 24 小時的定義.
但是, 再仔細想想, 地球是會繞太陽公轉的喲. 以這樣定義出來的一天, 因為地球也在圓形軌道略為移動了一些. 所以地球要多自轉一些來彌補因為地球繞太陽移動所多出來的角度差, 才能再次的正對太陽(正午)
這樣定義出來的一天, 我們叫做太陽日. 而地球真正自轉一圈的時間, 因為可以用遠處的恆星來確認跟定義, 所以被稱作恆星日.
我們沒辦法用恆星日來當作真正一天的定義啦! 雖然恆星日是真正地球自轉一圈的時間, 但是假如真正採用的話, 太陽日出日落跟正午的時間恐怕就天下大亂囉. 為了人類真正的習慣, 我們還是非得採用太陽日來當我們的時間系統. 在太陽日的系統下, 地球會在每 365.2422 個太陽日中準確的運行並環繞太陽一圈.
地球環繞太陽一圈的時候, 因為我們是以正午對準太陽來算一天的, 所以在第365.2422 個太陽日的時候, 地球真正的自轉會多轉了一圈. 所以以恆星日來算會是 366.2422個恆星日.
所以 一年, 365.2422 太陽日 = 366.2422 恆星日(地球自轉一圈的時間)
恆星日(地球自轉一圈的時間) = 365.2422 / 366.2422 太陽日
天球轉動速度(相對於地球)的計算:
恆星日, 就是地球自轉一圈的真正時間. 天球雖然是靜止的, 但是因為地球的自轉, 使得我們以為天球正在相對我們旋轉. 天球上面的所有星體也以相同的速度旋轉.
這個轉動一圈的時間, 就是一個恆星日的時間.
恆星日(地球自轉一圈的時間) = 365.2422 / 366.2422 太陽日 = 365.2422/366.2422 * 24 小時 = 365.2422/366.2422 * 24 * 60 分鐘 = 365.2422/366.2422 * 24 * 60 * 60 秒
星星在天空轉一圈的時間 = 天球轉一圈的時間 = 恆星日(地球自轉一圈的時間) = 23.934470 小時 = 1436.0682 分鐘 = 86164.09 秒
天球赤道附近的星星在天空移動的速度 = 天球轉動的速度 = 360 度 / 恆星日(地球自轉一圈的時間) = 15.041069 度/小時 = 0.250684 度/分鐘 = 0.004178 度/秒
所以, 約 4分鐘 移動 1 度.
這個每分鐘 0.250684 度 的速度是非常重要的, 也是眾多赤道儀/追星儀用來跟天球同步旋轉追星的標準速度!
這個每分鐘 0.250684 度 的速度, 是天球轉動的速度. 但在天球上的星星呢? 當然不同的位置, 移動的角速度就不一樣呀! 越靠近天球極軸 (北極星附近) 就移動得越慢.
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