天文观测的基础知识.pdf

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1、天文观测的基础知识 为了进行天文观测，就要学会认识星空，识别天体；因此，有关天体的坐标，天 体的运动，天文观测所用的时间系统，星座与星图，以及星星的星等、颜色、光谱型 等多方面的基础知识，都是我们开展天文观测活动时，必须首先了解的。 1天球和天球坐标系 进行天文观测首先要从找星、认星开始。在茫茫的星空中，怎样去寻找我们想要 观测的天体呢？这就必须知道天体在空中的“住址”，即它在天空的坐标。这样的坐 标是怎样建立起来的呢？这就要从天球说起。 （1）天球 当我们仰望天空观察天体时，无论是太阳、月亮还是恒星、行星，它们好像都镶 嵌在同一个半球的内壁上，而我们自己无论在地球上什么位置，都好像是处于这个

2、半 球的中心。这是由于天体离我们太远了，我们在地球上无法觉察不同天体与我们之间 距离的差异。因此，为了研究天体的位置和运动，可以引入一个假想的以观测者为球 心，以任意长为半径的球，称作天球。 由于地球在浩瀚的宇宙中可以看作是一个质点， 地心也可以当作地球的中心，因此可以假想一个地心天球，它是以地心为中心、无穷 远为半径的球。 有了天球，我们认识天体就方便了，因为不论天体离我们多么遥远，我们都可以 把它们投影到天球上，并用它们在天球上的视位置来表示它们。 在天球上，两颗星之间的距离如同在球面上两点间的距离一样，用角度来表示， 称为角距。显然，角距与两颗星的真实距离是两回事：角距很小的两颗星实际距

3、离可 能十分遥远。星体的大 小 一 般 用 视 角 直 径 （ 简 称 角 直径），即从地球 上看去它所张的角来表示。同样，视 角直径也不是天体的真 实 大 小 。 例 如，月亮和太阳的视角 直 径 大 约 都 是 1/2 度，但月亮的大小 与 太 阳 相 比 简直可以忽略不计，只 是 由 于 月 亮 离地球很近才看起来很大。 （2）天球坐标系 为了描述天体在天球上的视位置，就要在天球上建立起坐标系，称天球坐标系， 就像我们为了描述地球上某一点的位置需要建立地球坐标系（如用地理纬度和地理经 度表示）一样。事实上，天球坐标系与地球坐标系的模式很相似。例如，天球上的赤 道坐标系（也称第二赤道坐标系

4、）就可以看作是地球坐标系在天球上的延伸：把地轴 （地球的自转轴）无限延长就是天轴；天轴与天球相交的两点就是北天极和南天极； 地球赤道面的延伸与天球相交的大圆就是天赤道；与地球上的纬圈、经圈类似，天球 上也有相应的赤纬圈和赤经圈，不过天球上经圈的起始点与地球不同。这样，天体在 天球上的位置就可用赤纬、赤经来表示。 除 了 赤道坐标系外，天文观测中常 用的天球坐标系还有地平坐标系、时角坐 标系（也称第一赤道坐标系） 、黄道坐标 系等，它们是以天球上不同的基本点、基 本圈为基础建立起来的。有关天球上各基 本点、基本圈的定义，怎样以它们为基础 建立起各种天球坐标系，不同坐标系的特 点以及它们之间的相互

5、关系，请参见附 录。 不同天球坐标系各有其特点，因而也有不同的用途。例如，在赤道坐标系中，赤 经的起算点是天球上的固定点春分点，春分点与天体一同作周日视动，它与天体 的相对位置不因天体的周日视动而改变；而赤纬的值也只由天体和天赤道决定；因此， 一个天体的（， ）值是确定的，不受观测时间和观测地点的影响。所以在星表中多用 （， ）表示天体的位置。 再如，地平坐标系是以观测者为参照点建立起来的，具有“地方性”特点，即在 不同时间、不同地点观星，星星的地平坐标（A，h）均不相同。但由于它的参照物是 地平圈，比较直观，只要知道某个天体在某一时刻的方位角A 和地平高度h，就可以 方便地在天球上找到它的位

6、置，因此利用它非常便于观测。 在时角坐标系中引入时角t 对于寻找天体也很方便。由于天体的时角随周日视动 变化，每小时变化15o，因此只要知道了某时某处天体的时角，就可以方便地把望远 镜瞄向这个天体。 2为了进行天文观测，就要学会认识星空，识别天体；因此，有关天体的坐标， 天体的运动，天文观测所用的时间系统，星座与星图，以及星星的星等、颜色、光谱 型等多方面的基础知识，都是我们开展天文观测活动时，必须首先了解的。人们很早 就注意到，在绚丽多彩的夜空，繁星三五成群，构成各种美丽的图案。由此，人们把 天上的恒星划分成许多不同的区域，称为星座。根据不同星座中较亮的星所组成的图 形，人们为它们起了名字，

7、并编撰了许多美丽的故事。例如，我国关于牛郎织女的传 说，就缘于银河两侧的牛郎星和织女星；而希腊人则把 牛郎星及其周围的星想象成一只矫健的天鹰，把织女星 及其周围的星想象成一架巨大的天琴，天鹰座、天琴座 由此得名。 中国古代把恒星天空划分成三垣二十八宿，“垣”是 墙的意思，“宿”是住址的意思。日月穿行在黄道附近， 把黄道附近的星分成28 个大小不等的星区， 叫二十八宿， 月亮在绕地运动过程中，每日从西往东经过一宿。二十 八宿以外的星区划分为三垣：紫微垣、太微垣和天市垣。 紫微垣包括北天极附近的星区，太微垣大致包括室女座、 后发座和狮子座，天市垣包括蛇夫座、武仙座、巨蛇座和天鹰等星座。 1928

8、年，国际天文学联合会决定，将全天划分为88 个星座，其中沿黄道天区的 有 12 个星座，太阳的视运动穿过这里。 星座中的每颗星也有自己的名称。我们祖先早就给天上的亮星起了名，有根据神 话故事命名的，如牛郎星、 织女星、 天狼星、 老人星等； 有依据中国二十八宿命名的， 如角宿一、心宿二、娄宿三、参宿四和毕宿五等；也有根据恒星颜色命名的，如大火 星（心宿二） ；还有依据恒星所在天区命名的，如天关星、北河二、北河三、南河三、 天津四、五车二和南门二；等等。 1603 年，德国业余天文学家拜尔建议“平等对待” 这些恒星， 不能只给亮星起名， 他提出：每个星座中的恒星从亮到暗顺序排列，以该星座名称加一

9、个希腊字母表示。 例如，猎户座中有猎户座（参宿四）、猎户座（参宿七） 、猎户座（参宿五） 、猎户座 （参宿三）等。如果某个星座的恒星超过了24 个或者为了方便，就用星座的名称后 加阿拉伯数字表示，如天鹅座61 星、天鹅座32 星、双子座65 及兔座 17 等。天文学 家有时直呼它们的星表号，这也是一种星名， 如猎户座星也叫HD 39801 或 BD+7 1055 等（ HD 和 BD 分别代表星表名） 。 这美丽星空的88 个星座不是每个地区的人们都能看到，如北京地区只能看到60 多个星座。由于地球的自转和公转，人们在不同地区、不同季节、不同时间看到的星 空都不同。 3天体的视运动 我们白天看

10、到太阳东升西落，夜晚见到斗转 星移。这是由于地球处于不断的自转与公转运动 中，因此仿佛看见天体在运动，这就是天体的视 运动。 （1）天体的周日视动 地球自转是自西向东转，24 小时一周，人在 地球上觉察不到地球运动，却看到天体都从东方 升起、西方落下，这就是天体的周日视动。如果 你对着北极星附近照相，采用长时间的曝光（如 长于 6 小时），底片上就会看到所 有天体围着北天极转的运动轨迹。 地球上不同纬度处天极的高度等于当地的地 球纬度，站在不同纬度处的观测者，看到的天 体的升落情况也不同。 站在两极观星。在地球北极或南极，天极与天顶重合，天赤道与真地平重合，此 时所看到的天体， 其周日运 动的

11、轨迹平行于地平圈， 即 所看到的天体都 是 围 绕 观 测者平行于地平打转转。 在 北极只能看到北 半 天 球 的 星，永远看不到 南 半 天 球 的星；而在南极 只 能 看 到 南 半 天 球 的星， 永远看不 到北半天球的星。 在北半球 夜里可看到北极星在天顶，其他北天球的星全围绕着天极平行于地平转圈，没有升与 落。 站在赤道观星。在地球赤道地区看到的情景是，所有天体都在垂直于地平面的平 面内运动，可看到全天球的星；中午时，太阳当头照，立杆不见影。 站在赤道观星站在两极和赤道之间观星 站在两极和赤道之间观星。在此范围内， 天轴与地平的倾角等于当地的地球纬度， 地球纬度越高，天极离地面越高，

12、可看到的另外半天球的星就越少。例如，在北京， 北极星的高度约40o，在昆明看到北极星的高度只有25o；而在赤道以南地区，北极 星则不能看到。 （2）太阳的周年视动 由于地球公转，地球上的人们看到太阳在天球上相对其他恒星背景有视运动，这 叫做太阳的周年视运动。一年内太阳“穿行”于沿黄道带的12 个星座，有人把这些 星座叫黄道十二星座。太阳在天球上的位置每个月移动一个星座。例如，大约两千年 前，春分前后太阳在白羊座，以后依次经过金牛座、双子座、巨蟹座、狮子座、室女 座、天秤座、天蝎座、人马座、摩羯座、宝瓶座、双鱼座。由于岁差的影响，现今春 分日前后太阳的位置已移至双鱼座靠近宝瓶座的地方。 黄道与天

13、赤道有两个交点，太阳在周年视运动过程中沿黄道由天赤道以南穿到天 赤道以北的那个交点叫春分点，从天赤道以北穿到天赤道以南的那个交点叫秋分点； 黄道上与春分点相距90o且在赤道以北的那一点叫夏至点，与夏至点相对的那一点叫 冬至点。太阳每年公历3 月 21 日前后到达春分点，6 月 22 日前后到达夏至日，9 月 23 日前后到达秋分点，12 月 22 日前后到达冬至点。 在地球不同纬度处， 一年四季看到太阳的视运动是不一样的。在北半球中纬地区， 春分日和秋分日太阳正好位于天赤道上，早晨日出正东，傍晚落于正西，白天、黑夜 等长。春分过后，太阳北移，太阳从东北方升起，西北方落下，白昼渐长，黑夜渐短。

14、此后，正午时太阳高度逐渐增高，夏至日达到最高，白昼最长。夏至过后，太阳正午 高度逐渐降低，白昼也逐渐变短，至秋分日又昼夜平分。秋分过后，太阳南移，正午 高度继续降低，冬至日达到最低，白昼最短，太阳从东南方升起，西南方落下。 在赤道地区，春分日和秋分日中午太阳都位于头顶。从春分到秋分，太阳在天顶 北；从秋分到春分，太阳在天顶南。一年中无论哪一天，太阳总沿着与地平圈垂直的 路线直升直落，四季昼夜平分。 在北极，从春分到秋分，有半年不落的太阳；而另外那半年，则是连续的沉沉黑 夜。春分过后， 太阳每天一圈沿地平线打转，十分艰难地慢慢爬升，到夏至爬到最高； 往后又缓慢下落，到秋分时落下地平线，半年以后的

15、下一个春分，才会再升起。南极 的情况与北极正好相反，从春分日到秋分日太阳永不上升，而从秋分日到春分日太阳 永不下落。 在北极圈上，夏至日那天太阳不落，在半夜时它只和地平相切于北点；冬至日那 天太阳不上升，只在中午时于南点附近光芒一现。 （3）星空的四季变化 由于地球的自转与公转，我们看到天球上星座的位置也在不断变化，不仅每天有 升有落，而且不同季节的同一时间看到的星空也不一样。例如，就黄道带附近的天区 而言，每年春季，夜晚人们主要看到的是狮子座、室女座等星座；每年秋季，夜晚看 到的主要是宝瓶座、摩羯座等星座。每过三个月，同一个星座就要提前6 小时出现。 与太阳的周年视动一样，在地球的不同纬度处

16、，一年四季看到的星座也是不同的。 4天文观测的时间系统 时间的计量对于天文观测是很重要的，这里我们仅介绍几个由地球自转周期确定 的时间系统。 （1）平时与恒星时 平时。我们日常生活所用的时间系统称为平时，在这种时间系统中以地球自转一 周的时间作为一日。若地球的自转以真太阳（即太阳的视圆面中心）为标准，则地球 自转一周的时间叫做一个真太阳日，相应的有真太阳时、分、秒等。真太阳时作为一 种计时系统是不方便的，因为地球自转与公转的速度不均匀。因此，天文学家引入一 个以平均速度运动的假想的平太阳作为衡量地球自转速度的标准，相应的日叫平太阳 日。 恒星时。真太阳有视圆面，很难观测准确；而平太阳是假想点，

17、无法观测。因此 实际的测时工作常借助于恒星，于是就有了另一个计时系统恒星时，它以某颗恒 星为标准来度量地球的自转，由此可得到相应的恒星时、分、秒。平太阳日和恒星日 两个时间单位长短不同平太阳日比恒星日长，一年里有365.25 个恒星日， 因此恒星钟 比平时钟每天快4 分钟左右。 恒星时在平常生活中不使用，但在天文观测中却离不开它。由恒星时的定义可知， 恒星时 S在数值上等于春分点的时角tr，即等于任一恒星的赤经与其时角之和： ttS r 进行天文观测时只要知道了地方恒星时S 和某星的赤经，就可由上式算出它的时角， 利用望远镜的赤纬盘和时角盘就可以方便地对向天体进行观测。当恒星上中天时它的 时角

18、 =0，则有S=；因此恒星时等于上中天的恒星的赤经。进行天文观测必须要熟悉 和掌握恒星时和平时的换算。 （2）地方时、世界时和区时 地方时。恒星时、平时都具有地方性，都是地方时。这是因为在这些时间计量系 统中，计量时间的起算点是天体过上中天，而对于不同地理经圈的两地，它们的天子 午圈是不同的，因而不同地点时刻起算点各不相同，这就形成了各自的时间计量系统 地方时系统。不同的两地同时观测同一天体，其时角之差，等于这两地的地理经 度之差。因而，只要两地经度有差别，两地的地方时刻就不相同。例如，我国幅员辽 阔，当东部乌苏里江的渔民迎来黎明的曙光时，西部帕米尔高原还在深夜。 世界时。为了统一时间计量，国

19、际上统一规定了全球的标准时，它是以英国格林 尼治天文台原址所在的子午线起算的，即格林尼治的地理经度=0o，该地的地方平时 就作为世界时，用字母M 表示；其他地方的平时与世界时的关系为： m=M + 东经取正，西经取负。知道世界时，就可求出任一地方的地方时，或反之。 区时。为了适应电信和交通发达后国际交往的需要，避免由于地方时不同造成的 不便， 1884 年在华盛顿举行的国际子午线会议规定，全世界统一实行分区计时制。根 据地理经度，以0o，15o及 15o倍数的经线为标准时线，将全球分成24 个时区，每 15 o一个区。 在 同一 时 区内，都采 用 中央经线上 的 地方平时作 标 准时间，相

20、邻 两时区的标 准 时间相差整 一 小时。根据 这 一原则，东 、 西两半球各 分 12个 时区 。 格林尼治子午线为零时区的中央子午线，两旁各7.5o的经度范围属零时区，这一时区 内采用格林尼治地方时，即世界时。依次类推有东一、东二、东三东十二时区； 西一、 西二西十二时区。东十二时区和西二十时区重合，共同使用180o经线的地 方时，但日期不同。这样划分，区时和地方时相差不过半小时，对人们的生活影响不 大。显然，区时等于世界时M 与时区号（ N）相加，东时区为正，西时区为负。 为了统一全球的日期，国际规定， 在太平洋中以180o经线为准， 避开陆地和岛屿 画一条国际日期变更线，叫做日界线。若

21、从东十二区进入西十二区，日期减一天；反 之，日期加一天；时间不变。 不同国家根据自己的法律规定使用自己国家的统一区时。我国从东向西横跨五个 时区，中华人民共和国成立后，我国统一采用北京所在的东八时区的区时，即东经 120 o经线的地方时为 “北京地间” 。 需注意， 北京时间不是北京地方平时，两者相差约14.5 分钟。 北京区时 =世界时 +8 小时 中央人民广播电台发出的时刻就是北京区时，减去8 小时就是世界时。 北京区时与地方恒星时的换算。如果在地理经度为的地区进行观测，观测时北京 区时为 T，那么此时的地方恒星时S 可由下式确定： S=S0+（T-8） （1+1/365.2422） +

22、式中 S0为格林尼治0 时的地方恒星时，可查天文年历得到。 前已述及，知道了地方恒星时S，就可由S=t知天体的时角，进而对天体进 行观测。 （3）天体的出没时刻 天体的出没时间是变化的，不掌握它的规律和特点也不能顺利进行天文观测。由 于地球绕日公转一周需365 日，所以太阳在天球上沿着黄道每天大约东移1o即每天提 前 4 分钟降落地平，因此同是一颗星，第二天就比前一天早升起4 分钟。 对于任何观测地区（地理纬度，地理经度），天体出、没地平进天体的天顶距均 为 90o（即 z=90o） 。通常，查星表可知天体在一定历元（起算年代，如2000.0 年）的 天球赤道坐标和，由坐标换算公式 tzcos

23、coscossinsincos 且天体出、没地平时90z，可得 tantancost 由此式给出两个解：t 的正值与t 的负值，前者为天体没地平的时角，后者为天 体出地平的时角。 由恒星时S和时角 t 的关系式S=ta可由，求出 S，再由上述恒星时和北京时T 的关系，可以推算出北京时间或世界时间，如此可以求出天体出、没地平的北京时和 世界时。 天体出没的方位角A 也可由坐标变换公式得到： 由于Azzcossincoscossinsin 且90z，可得 cos/sincos A 此式给出两个解：A180 o时对应于升地平的方 位。 对于太阳和月球，以上边缘出、没于地平算作它们的出没。由于地球大气

24、折射的 影响及太阳和月球的视圆面比较大，计算它们的出没时刻和方位角，注意用天顶距 5190z代入坐标换算公式。 5天体的亮度和星等 夜空中的星星有亮有暗，这种明暗的程度就是星星的亮度。古人很早就试图把星 星的亮度划成不同的等级。公元前2 世纪，古希腊的天文学家喜帕恰斯就绘制了一份 标有 1000 多颗恒星位置和亮度的星图，并根据目视观察把恒星亮度划分为6 等。这 一有关星等的概念一直沿用至今。 （1）天体的亮度和视星等 喜帕恰斯把肉眼看到的星分为6 等，最亮的星定为1 等星，勉强看到的暗星定为 6 等星。 1850 年，普森注意到喜帕恰斯定出的1 等星比 6 等星大约亮100 倍，也就是 说，

25、星等每相差1 等，其亮度之比约等于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。根据这一关系，普森建立了星等和亮度关系的公式。 设两颗星的亮度分别为E1和 E2，则它们的星等m1与 m2之差为： 2121 /lg(5.2EEmm) 此星等对应着天体的视亮度，所以叫视星等。 表 1.3.1 天体的视星等 天体名称视星等天体名称视星等 太阳 满月 金星 火星 木星 水星 土星 冥王星 26.7 12.7 4.4 2.8 2.6 1.6 0.3 +14 天狼星 老人星 织女星 牛郎星 北极星 1.46 0.72 +0.03 +0.77 +1.99

26、 肉眼可见最暗星 现代地面最大望远 镜可见最暗星 +6 暗于 +23 行星给出的是最亮时的视星等。 建立了新的星等标度后，星等的范围也向两端延伸了，比1 等星亮的有0 等星和 负的星等， 比如天狼星为1.46 等，太阳的视星等为26.7 等，满月的视星等为12.7 等（表 1.3.1） 。 天文学家称光度大的星为巨星、超巨星，光度小的星为矮星。在恒星世界里，光 茫万丈的太阳不过是一个矮星。恒星世界丰富多彩，一些超巨星如天津四，它的绝对 星等大约为2.7等，其光度比太阳强6 万倍。而光度小的矮星如天狼星的伴星，它 的绝对星等为11.5 等，光度不及太阳的万分之一。 6星表、星图、天文年历和星图软

27、件 星表、星图、天文年历和星图软件是进行天文观测必不可少的工具，了解它们的 内容并学会使用，将给你带来许多方便。 星表星表是恒星的 “户口登记册” ，它记载着恒星的各种数据，如位置、 星等、 色指数、光谱型等。刊载其他天体，如变星、星云、星团、星系、射电源、X 射线源 等的表册也叫星表；如变星总表、射电源表等。 目视星表中最重要的是德国天文学家阿给兰德于1863 年出版的 波恩巡天星表 （简称 BD）和 1886 出版的续表，两表共包含星等到9 等的恒星457 847 颗，赤纬从 23o +90o。1964 年出版的亮星星表 （CBS）给出了9091 颗亮星的位置、亮度、 光谱类型、自行、视差

28、等，是天文爱好者的好帮手。天体测量用的星表，星的位置都 可准确到0.01，如第五基本星表（FK5） 。现代星数最多的基本星表是博斯星表，它 共包含有33 342 颗恒星的赤经、赤纬和自行的数据。 丹麦天文学家德雷耶尔于1888 年编的星云星团新总表 （简称 NGC 星表） ，汇 集了7840 个天体，包括大量的星云、星团等延伸天体，其天体的命名和编号一直延 用至今。 星图将天体在天球上的视位置投影在平面上所绘成的图就是星图。将天体的 照片汇集而成的图叫做照相星图，美国天文学家编制的帕洛马星图及欧洲天文学家正 在编制的南天星图，都是著名的照相星图。 使用星图可以帮助我们认星、找星，熟悉它们的星等

29、和颜色。天文爱好者使用的 星图大致分两类： 活动星图：活动星图是这样制成的：将天球与地球的赤道相重合，天极与地极 有一条共用的轴线，以极点为圆心，把天球上的恒星位置和地球某一指定纬度的地平 坐标圈分别描绘在同尺度的两幅平面上，并把两幅图圆心对准。这种星图的优点是携 带方便，使用简单，只要把月、日、时、分对准，就可以知道当时的星空图像。这种 星图的缺点是星数太少，星的位置不太精确。 全天星图：全天星图的星位准确，星数很多。在全天星图上，按照一定的年代 标出每颗星在天球上的视位置（用赤经和赤纬表示）和星等（用不同大小的黑点表示）， 并用不同符号表示是双星还是变星等等。星图把天区按照赤经分成24 个

30、经区，按照 赤纬每隔10o绘一个纬圈。一般有极区图及包括不同赤经、赤纬的分图。适于业余天 文观测使用的星图有北京天文馆出版的新编全天星图、英国出版的诺顿全天星 图 （中译本名为星图手册）等。 拥有一册星图，就像旅游者手中拥有一份导游图，按图索骥便可纵情巡阅恒星大 千世界。 天文年历天文年历是天文学家运用天体力学的理论推算的天文历书，其中列 有每年的天体 （太阳、 月球、 大行星和亮的恒星等）的视位置； 这一年的特殊天象（日 食、月食、彗星、流星雨和月掩星等）发生的日期、时刻以及亮变星的变化情况等。 中国紫金山天文台每年编辑出版一本中国天文年历。天文爱好者杂志视编辑出版 的天文普及年历是天文爱好者进行天文观测必备之工具。 星图软件在现代天文观测中，由于计算机的广泛使用，借助于星图软件可使 天文观测变得既方便又准确。