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1、第二章 天体和天球及其坐标系统,2.1 天体和天体系统,2.1.1 天体概念及主要天体介绍,1.天体概念,目前把天体认为是宇宙间各种星体的总称。包括：恒星（如太阳）、行星（如地球）、卫星（如月亮）、彗星、流星体、陨星、小行星、星团、星系、星际物质以及暗物质等。,2.主要天体介绍,恒星是天体中的主体。一般认为由炽热的气体组成的、自身会发热发光的球状或类球状天体称为恒星。太阳就是一颗恒星，除了月球和行星，我们在夜晚所见的众星大多为恒星。恒星并非不动，只是因为距离我们实在太远，不借助特殊工具和特殊方法，很难发现它们在天空上的位置变化，因此古代人把它们叫恒星。由炽热的气体组成的仅是恒星的大气，恒星的内
2、部，特别是内核密度都很大，显然不一定是由气体组成，何况象白矮星、中子星(包括脉冲星)这样的致密恒星，已不是由气体组成的，而恒星自身发光也是恒星演化史上某一阶段的现象。恒星有许多种类，恒星有生有灭。由成团的恒星组成的，被各成员星的引力束缚在一起的恒星群称为星团，主要有球状星团和疏散星团两种。,行星指绕恒星运行、自身不会发可见光的天体。到目前为止，人们仅能视察到太阳系内的行星；别的恒星的行星系統，想用天文望远镜直接观测显然目前是不可能的。但可以用精密设备测定恒星光谱红移和紫移，根据晃动的恒星 现象而确认是否有行星。目前有天文学家已经搜索发现一些太阳系外的行星。例如：大熊座47有一颗行星；仙女座恒星
3、有3颗行。卫星指绕行星运行、自身不会发可见光、以其表面反射恒星光而发亮。至今人们也仅是观察到太阳系内的卫星，据资料，至2003年发现的太阳系卫星数达130多颗。,彗星主要由冰物质组成，以圆锥曲线(包括椭圆、抛物线和双曲线)轨道绕恒星运行，当靠近恒星时，因冰物质受热融化，蒸发或升华，并在恒星粒子流（如太阳风）的作用下拖出尾巴的天体。至今人们也仅观察到太阳系内的彗星。,流星体是绕恒星运行的质量较小的天体，其轨道千差万别。在太阳系中有些流星体是成群的，称为流星群。当流星体或群进入地球大气层时，由于速度很高，进入地球大气层因摩擦生热燃烧发光，形成明亮的光迹，称为流星现象。大流星体未燃尽而降落在地面称为
4、陨星。陨星中含有许多种矿物元素，近年来还发现在陨石中存在有机物。,星云和星系星云是指银河系空间气体和微粒组成的星际云。一般它们体积和质量较大，但密度较小；形状不一，亮暗不等。过去在星云性质不清楚之前，把星云分为河内星云和河外星云两种。河内星云实质就是星云，是银河系内的一些星际物质；河外星云就是现在说的河外星系，简称星系“.,星际物质恒星之间的物质，包括星际气体、星际尘埃和各种各样的星际云，还包括星际磁场和宇宙线，统称为星际物质。在现代天体物理中星际物质研究越来越受到重视。,猎户座大星云,银河系全景图,人造天体在1957年人造卫星上天以后才有的天体。现有人造卫星、宇航器（宇宙飞船）和空间站等。虽
5、然有的人造天体已瓦解，失去设计时功能，但每一块小碎片（宇宙垃圾）仍然是人造天体。现运行在空间的人造天体已有上万个。,可视天体和暗物质在大量的宇宙物质中，人类把看得见的（在可见光波段）称为可视物质，看不见的称为不可视物质或暗物质。据现代天文研究，宇宙中存在大量暗物质。,约有12000块太空碎片围绕地球运转,2.1.2 天体系统,在引力的作用下，邻近的天体会集结在一起，组成互有联系的系统，这就是天体系统。也可以表述为：天体系统是互有引力联系的若干天体所组成的集合体。,1.天体系统概念,2 主要天体系统天体系统的规模有大有小，到目前为止，人类所认识的最低一级的天体系统是由一颗行星与一颗或多颗卫星所组
6、成的系统，如由地球与月球所组成的地月系。在太阳系内，这样的天体系统已发现不少，象火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星，还有两颗小行星，都拥有卫星。,木星是人类迄今为止发现的天然卫星最多的行星，目前已发现63颗卫星,地月系统,比地月系这样的天体系统高一级的天体系统是由一颗恒星与若干行星及其卫星等所组成的天体系统，如太阳系就是由太阳及其九大行星和卫星及小天体等组成。比太阳系这样的天体系统再高一级的称为星系，它是由大量恒星所组成，我们的太阳所在的星系称为银河系，许多类似于银河系的星系统称为河外星系。比星系再高一级的天体系统是星系群、星系团。银河系所在的星系群称本星系群。星系群或团再高一级是超星系
7、团，它是由一定数量的星系群和星系团所组成的天体系统。本星系群所在的超星系团称本超星系团。在超星系团之上，不再细分了。目前天文学家把人们观测所及的宇宙部分称为总星系或”科学宇宙”，也就是宇宙学家常说的我们的宇宙。值得一提，科学宇宙同哲学上所讨论的宇宙（无所不包的时空）不完全是一回事。从广义上说，总星系应该是无限宇宙的一部分。,2.2 天球和天球坐标,天体由于引力和运动使它们保持相对的平衡。当我们抬头仰望星空时，从视觉上很难分辨出天体距离的远近，视乎是等距的，它们同观测者的关系，犹如地球面上的点同球心的关系，这样太阳，月亮和恒星看起来似乎都分布在一个很大的球面上，无论我们走在什么地方，都有这种感觉
8、。这个以观测者为中心，以任意长为半径的假想的球，称为天球。,2.2.1 天球,实际上，我们知道并不存在这样的球。但天文学中仍保留了天球的概念，用来表示天体目视运动的辅助工具。在天球上作一些假想的点和线，利用它们来确定星球的视位置。视位置定义为：把不同远近的星星与观测者的眼睛连成的直线延长，它们和天球相交的点，即星星在天球上的投影。,天球是存在中心的选择不同的天球中心：观测者 观测者天球地 心 地心天球（主要用于表示太阳系外天体的是运动和视位置）日 心 日心天球（主要用于表示太阳系内天体的是运动和视位置）天球的半径是任意的它包容一切，不论天体如何遥远，天球上总有它的位置在同一视线上的不同远近的星
9、球，在天球上的视位置是重合的所有互相平行的直线向同一方向延长，和天球交于一点这是因为天球半径无限大，所以观测者的任何位移都比圆球半径小得多。,几个天球相关的性质,球面的几何性质,用任何一个平面切割球面，切痕都是圆。如果切割平面过球心，圆的直径最大，称为大圆。不过球心时，圆的直径较小，称为小圆；球面上任意两点之间的连线以大圆弧最短；通过球面上任意两点（与球心同在同一直线上的两点除外）可以做唯一的大圆；球面上任意两个不同的大圆必然相交与两点，该两点的连线比过球心；,5.通过大圆中心（球心）做大圆平面的垂直线，与球面相交的两点称为该大圆的极。通过大圆的极的任意一个大圆都与原来的大圆垂直。从大圆上任意
10、一点到极的大圆弧长度都是90.两个大圆的交点是通过大圆的极的大圆的极。,2.2.2 常用的天球坐标系,建立球面坐标的三个条件,选择一条通过球心的直线作为基本轴，或选择一个特定的大圆作为基本大圆。基本轴与基本大圆垂直，基本轴与球面的交点就是基本大圆的极；选择球面上除极点外的任一点作基本点；约定坐标量度的方法和范围,球面坐标的基本要素,地球坐标系统的基本要素,地球坐标系统：基本轴：地球自转轴基本轴与地球表面的两个交点是南北极基本大圆：赤道基本点：英国格林尼治天文台所在地G地球表面任意地点A有两个坐标：地理经度和地理纬度。通过北极（或南极）和A点做大圆与赤道交与A点，通过北极过G点做大圆和赤道交与G
11、点，弧长AA则为地理纬度，弧长GA为地理经度。纬度由赤道向两极度量，正负各90，约定北向为正，向南为负；经度由G点向东西度量，正负各180，约定向西为正，向东为负。合肥的坐标为北纬32（+32）、东经117（-117）。,天球上的基本圈和基本点,天顶和天底 沿观测者头顶所指的方向作铅直线向上无限延伸，与天球相交的一点称为天顶（Z）；天球上距天顶180的点，即铅垂线在观测者脚底向地平以下无限延伸，与天球相交的另一点称为天底（Z），观测者的眼睛则为天球的中心。,地平圈 通过地心，并垂直于观察者所在地点的垂线的平面与天球相割而成的圆为地平圈，也就是人们平时所说的地平线(不过平常所说的地平线没有如此严
12、格的定义)。或表述为通过天球中心而垂直于天顶和天底联线的平面称为地平面，地平面与天球相交而成的大圆NWSE，称为地平圈。地平圈把天球分成可见和不可见的两个半球。天体在地平上以上可见。天体每日视运动运行到距地平圈以上最高点称为上中天，运行到距地平圈最低点称为下中天。,北天极和南天极 地轴无限延伸，就成天轴。天轴与天球相交的点就是天极。天极有两个：北向的称北天极（P）；南向的称为南天极（P），有人称“天北极”和“天南极”。离北天极约1处有一颗不太亮的星，即小熊座，中名勾陈一，是北极星。天南极及其近旁没有亮星，故没有南极星，所谓南极老人星，其实离天南极很远，离天赤道反而近，只因我国地处北半球，北方根
13、本看不到这颗星，南方看那颗星在南边天际。故有人称它为南极老人星(即船底座)。,天赤道 与北天极和南天极距离相等，且垂直于天轴的大圆，称为天赤道，即地球赤道平面任意扩展与天球相割而成的圆，称天赤道。实际上，它是地球赤道的无限扩大。它把天球分成南北两个半球。,四方点（或四正点）通过天顶和天底，北天极和南天极的大圈与地平圈相交的两点中，靠近南天极的那一点称为南点（S）；靠近北天极的另一点称为北点（N）。从北往南看，自北点顺时针旋转90的那一点为东点（E），与东点相距180的点称为西点（W）。或表述为在某地看来地平圈与天赤道相交的两点就是东点(E)和西点(W)，它们在正东方向和正西方向。地平圈上与它们
14、相距90的两个点就是南点(S)和北点(N)，分别在正南方向和正北方向。S、N、E、W合称为四方点,子午圈 通过天顶和北天极同时又过北点和南点的大圈PZSPZNP，称为子午圈。卯酉圈 通过天顶和天底同时又过东、西点的大圈ZEZW，称为卯酉圈。六时圈 通过北天极和天南极，同时又过东、西点的大圈PEPW，称为六时圈。,地平圈、天赤道、黄道、子午圈、卯酉圈和六时圈均为大圆。其中地平圈、天赤道、黄道为基本圈（简称基圈）；子午圈、卯酉圈和六时圈为辅圈。,黄道和黄极 通过天球中心作一与地球公转轨道面叠加的无限平面，这一平面叫黄道面，黄道面与天球相交的大圆，称为黄道。即地球绕日公转轨道平面任意扩展，与天球相割
15、而成的圆为黄道。通过天球中心作一垂直于黄道面的直线，使该线与天球相交于两点，其中靠近北天极P的那一点为北黄极（K）；靠近南天极P的另一点则为南黄极（K）。,银道和银极 在天球上沿着银河中心画出的大圆称为银道，它是银河系平均平面与天球相交的大圆，它与天赤道相交成约63.5的交角。银河所在的平面称为银道面，在银道两侧与银道相距90的两点，称为银极。靠近北天极的那一点称为北银极（NGP），靠近南天极的那一点称为南银极（SGP）。,21日、9月23日、12月22日的某一时刻运行至春分、夏至、秋分和冬至点，其日子分别称春分日、夏至日、秋分日和冬至日，习惯上就简称为春分、夏至、秋分、冬至，即二分二至日。,
16、2.2.2.1 地平坐标系,基本轴：铅垂线基本大圆：与铅垂线垂直的地平圈E-S-W-N天顶：观测者头顶正上方地平圈：观测者所见的天与地详解的大圆就是地平圈基本点：天北极（对于南半球的观测者就是天南极）,也就是地球自转轴延长后与天球的交点。天北极旁（实际相差1度左右）刚好有一颗小恒星-小熊座，称为北极星。,坐标量度方向和范围：通过天顶Z和天北极做一大圆与地平圈相交于N和S，称为北点和南点，这是定义地面南北方的基准点，与之垂直的为东点和西点，东西南北按顺时针方向排序。,地平坐标系的一对坐标是高度h（也叫地平纬度）和方位角A（也叫地平经度）。图中M点是天球上的某个天体，通过天顶Z和M做大圆与地平圈交
17、于M，弧长MM称为M点的高度h，弧长 SM 或球面角A称为M点的方位角。约定高度从地平圈向天顶（或天底）度量，正负各为90，向上为正，向下为负;方位角从南点（S点）向东向西量度正负各180，向东为负，向西为正。,思考题：对于图中的星M，假设其高度角大小绝对值为h，方位角为A，其地平坐标为？,（h,A）,地平坐标系比较直观。只要学会了如何找到北极星，并据此判断正南、正北方向，地平坐标系的基本大圆和基本点在天空中的位置就很容易确定。但是，地平坐标系显然与观测者所在的位置有关，因为其基本轴是因地而异的，天体的地平坐标只对应于某个特定的地点。此外，还因为任何一个自然天体都在天球中有东升西落的现象（北极
18、星除外，思考为什么？），它们的地平坐标随时都在变化之中。,2.2.2.2 第一赤道坐标系（时角坐标系）,基本轴：地球自转轴基本大圆：天赤道，也就是地球赤道平面延展以后与天球相交的大圆，自然天体东升西落的运动总是沿着与天赤道平行的小圆进行的。基本点：上点Q（子午圈与天赤道存在两个交点，在天赤道上方的为上点，下方的为下点。）,天体如M在第一赤道坐标系系中的坐标用赤纬和时角t表示。通过天北极P和M做大圆与赤道相交于点M，赤纬角度以天赤道开始度量，往北为正，往南为负。弧长MM称为M点的时角。时角是天体相对子午圈的角距离，即天体所在时圈与子午圈的交角，本质是两圈所在平面的夹角。时角以上点Q为原点，沿天赤
19、道向西度量。以时、分、秒的单位代替度、分、秒的单位，从0h到24h。,注意：这里的时、分、秒仍是角度量，也称为时角、时分和时秒。只是名称和换算比例改变一下。因为地球自转一周为24小时，转过一周为360，故有,1h=15，1m=15,1s=15,思考：北京的经度为:11620，其也可以表示为?,7h45m20s,2.2.2.3 第二赤道坐标系,基本轴：地球自转轴基本大圆：天赤道，也就是地球赤道平面延展以后与天球相交的大圆，自然天体东升西落的运动总是沿着与天赤道平行的小圆进行的。基本点：春分点,天体，如M，在赤道坐标系中的一对坐标是赤纬和赤经。通过天北极P和M做大圆与赤道相交于点M。弧长MM称为M
20、点的赤弧，弧长M称为M点的赤经。,约定赤纬从赤道向天北极和天南极度量，正负各90，向北为正。赤经从春分点算起，沿天赤道向东度量。,第二赤道坐标系是表示天体在纬向上与天赤道的距离，在经向上表示与春分圈的距离。在较短时期内，天赤道与春分圈的空间位置是变化很小的，所以，用这种赤经和赤纬注明的天体位置所编制的星表在较短时期内总是适用的。不过，由于地轴是摇动的(地轴进动)，天赤道的空间位置是摆动的，春分点在黄道上每年西退50.29，西退周期为25800年，所以，在较长时间内，天体的赤经和赤纬也会有明显的变化。因此，星表都要注明编制的年份。,赤道坐标系没有地平坐标系直观，因为人们很难凭感官判断天赤道在天上
21、的位置，更无法确定春分点是天上哪一点。但赤道坐标系与观测者所在的地面位置无关，对任何地点都是一样的。赤道坐标系的基本大圆和基本点都和天体一样参与东升西落的周日视运动，因而天体的赤道坐标不因东升西落而变化，是相对固定的。赤道坐标系与地平坐标系的优缺点刚好互补。天文学中更常使用的是赤道坐标系。,2.2.2.4 黄道坐标系,基本大圆：黄道面基本轴：与黄道面垂直的轴，它与天球的交点为北黄极K和南黄极K。基本点：春分点它的纬线是黄道和天球上与黄道平行的圆，称黄纬圈。黄道是最大的黄纬圈。它的经线是天球上通过两个黄极的圆，称黄经圈，其中通过春分点的黄经圈是始圈。,它的纬度称为黄纬（），是天体对于黄道的角距离
22、，用角度表示，以黄道为起始，在天体所在的黄经圈上向北度量，从0至90，北半球的习惯是黄道以北为正，以南为负。它的经度称为黄经()，是天体对于春分点所在的黄经圈的角距离，以春分点为原点，沿黄道向东度量，自0到360。,思考题：太阳的黄纬为多少？,0,2.2.2.5 几个坐标系的主要区别和联系,它们的经度（方位与时角）都是向西度量，而且，二者都以子午圈为始圈。但是，地平坐标系以地平圈为基圈，因而以南点为原点；第一赤道坐标系以天赤道为基圈，因而以上点Q为原点。这样，天体的高度便不同于赤纬，方位也不同于时角。它们之间的具体差异，与当地的纬度有关；纬度愈高，二者愈接近。在南北两极，天赤道与地平圈重合，天
23、北极位于天顶。这时，高度就是赤纬，方位等于时角。,地平坐标系与第一赤道坐标系,体现地平坐标系与第一赤道坐标系的联系，有如下关系式：在同一地点有：天极的高度(hp)=地理纬度()=天顶的赤纬(Z)；,天球的南北两极，一个在地平以上，叫做仰极；另一个在地平以下，叫做俯极。对北半球来说，仰极就是天北极。一地的纬度与当地天顶的赤纬属于同一个角，它等于当地仰极的高度，二者都是天顶极距的余角。在我国历史上，仰极高度被称为北极高。人们正是根据这一原理来测定所在地的纬度。,第二赤道坐标系与黄道坐标系,它们的经度（赤经和黄经）都是向东度量；而且，它们有共同的基本点（春分点），但是，第二赤道坐标系以天赤道为基圈，
24、因而以春分圈为始圈；黄道坐标系以黄道为基圈，因而以无名圈为始圈。这样，天体的赤纬不同于黄纬，赤经不同于黄经。它们之间的具体差异，同黄赤交角有关。,第一赤道坐标系与第二赤道坐标系 这两种坐标系都以天赤道为基圈，因而有共同的纬度（赤纬），所不同的是它们的经度。第一赤道坐标系以午圈为始圈，其经度（时角）自上点Q向西度量。第二赤道坐标系以春分圈为始圈，其经度（赤经）自春分点向东度量。,天体的时角不同于赤经；二者的具体差异，同当时的恒星时有关。任何时刻的恒星时，等于当时中天恒星的赤经（也即上点赤经），这为恒星时的测定提供极大的方便。所以任何瞬间同一天体的时角(tM)与赤经(M)之和等于春分点的时角(tr)也等于当时天顶的赤经(aZ)；即am+tm=tr=az。任意两地同一瞬间测得同一天体的时角之差等于这两地的经度差。即：A-B=tA-tB。,几种坐标系的比较,几种坐标的相互转换,球面三角的基本知识,天体的第一赤道坐标和地平坐标的转换,天体的第二赤道坐标和黄道坐标的转换,作业1：根据球面三角的公式，推导已知天体高度h，方位角A和地方纬度，计算它的赤纬和时角t的方程？,
