天球

Posted on 2016/08/14 in 宇宙論, 宇宙論, 物理 with 沒有迴響 9,420 views

天球 (Celestial Sphere)
國立臺灣大學物理學系鍾豪

天球 (celestial sphere)，是個假想的球面，其球心、自轉軸皆和地球一樣，但半徑無限大。天球並無遠近的概念，所有天空中的物體，無論是人造衛星、月亮，或是遙遠的天體，都可投影到天球上。天球在描述天空中的物體時，是十分重要且方便的工具。

當我們描述地球上的地理位置時，例如紐約市、聖母峰等，會使用經緯度座標。當我們描述天空中的星星時，就需使用天球座標。天球是個二維的球面，所以無論哪一種天球座標，都僅需要兩個參數。常見的天球座標有「地平座標系」和「赤道座標系」兩種。

如下圖，地平座標系是以觀察者所在的地平面為基準平面，將天球分為上半球和下半球，對觀察者而言，只有上半球看得到。地平座標系使用「仰角 (altitude)」和「方位角 (azimuth)」兩個參數。仰角是指觀察者所在的地平面和天體的夾角，如圖中的 $$\theta$$。方位角是指由正北方和東方測量，天體所在的角度，如圖中的 $$\phi$$。因為地平座標系是以觀察者為參考點，隨著地球自轉，同一個星體，在不同時間，對於同一個觀察者將具有不同的地平座標。也因參考點隨觀察者而定，所以同一個星體，即使在同一時間，但觀察者不同時也會有不同的地平座標。

圖一、赤道座標系。（圖片來源：參考文獻 1）

赤道座標系使用「赤緯 (Declination, Dec)」和「赤經 (Right Ascension, RA)」。地球赤道向外延伸和天球的交線為「赤緯0度」，地球自轉軸中心向北延伸和天球的交點為「赤緯90度」。由於地球會自轉，若直接將地球經度的投影設為赤經，則天體在赤道座標系上位置會隨時間變動。因此赤經起點定為春分時太陽的位置，如此一來，赤道座標系就不隨時間或觀察者的位置而變動。

赤緯以角度描述，1 度為 60 角分，1 角分為 60 角秒，北方為正，南方為負。例如織女星的赤緯座標為 +38° 47′ 01″。赤經以時間描述，從赤經起點向東繞行一圈為 24 小時，1 小時為 60 分，1 分為 60 秒，無區分東經、西經。例如織女星的赤經座標為 18h 36m 56.3s。

圖二、地平座標系。（本文作者鍾豪繪製）

地平座標系常於觀星時使用，只要知道星星的地平座標和正北方的位置，便可依據仰角和方位角找到星星。但因為地平座標系隨時間及觀察者的位置而定，因此每次使用地平座標系都需重新查詢。赤道座標系常於天文學研究使用，因為座標系本身不隨時間或觀察者而動，所以赤道座標系可供跨時間、跨區域的不同研究者使用。值得一提的是，雖然赤道座標系本身是固定的，但因為天體本身在天空的位置也會略有移動(越靠近地球的天體，移動越明顯)，因此天體的赤道座標是有可能隨時間變動的。

參考文獻