北極星與歲差

2021-01-15 初光天文科普工作室

夜晚時，如果你較長時間地仰望星空的話就會發現，天上的星星在緩緩地繞著一個點為中心轉動，而這個中心就是北極星。


現在我們都知道，地球並不是宇宙的中心，星星因為我們腳下的地球在轉動導致它看起來在轉動。而地球自轉的轉軸是一條通過南極和北極的直線，稱為地軸，如果我們從地球的北極出發，沿著地軸所在的直線在宇宙中一路前進，我們碰到的第一顆明亮到在地球上可以容易地看到的星星，就是北極星。


當然，地軸的延伸想要在廣袤的宇宙中碰到一顆亮星並不容易，所以實際上我們所說的北極星並不正好在這條假想的直線上，它與星星實際旋轉中心有一個42'的夾角——也就是0.7度[1]。


42『已經很小了，然而這個數字在未來幾十年內仍然會不斷減小，直至2100年減小到27』38』』的最小值。不過，與其說北極星在靠近真正的「旋轉中心」，不如說「旋轉中心」在靠近北極星[2]。


至此，為了保證表述的清晰，我們需要引入一些術語。類似於張衡在《渾天儀注》裡所說的：「渾天如雞子，……，地如雞中黃」，在天文觀測中，我們想像一個以地球為中心的巨大的球體，所有星星都分布在這個球體上，這個假想的球體稱為天球。如前所述，夜空中星體旋轉的中心是地軸延長線——天軸，與天球的交點。對應地，將位於南北地極一側的交點分為稱為南北天極。


天球與天極


那為什麼這個「旋轉中心」會逐漸靠近北極星呢？我們先來看一個簡單的例子，陀螺。如果你玩過陀螺，應該會發現陀螺旋轉時往往不是僅僅豎直地站著旋轉，而是傾斜地繞著自身的對稱軸旋轉，同時對稱軸又繞著豎直方向的一條看不見的軸旋轉，掃出一個圓錐面，這個現象叫做進動。


進動的陀螺


自轉的地球也可以看作一個巨大的陀螺，同樣存在著進動。因此地球的自轉軸也會在宇宙中掃出一個巨大的圓錐面，或者相應地，天極在天球上畫出一個圓，這種現象被稱作歲差，這就是前面所說的北天極正在接近北極星原因。


到這裡，我們已經可以想到，「北極星」並不是某一顆特定的星星的名字，而是類似於一種「職位」——運動的北天極離哪一顆亮星最近，它就是北極星。現在擔任北極星的是小熊座的勾陳一，它的前任是小熊座的北極一，後任是仙王座的少衛增八。


歲差圈

北天極變化的軌跡，標註+2000年旁的亮星即是現任北極星勾陳一


除此之外，歲差帶來的另一影響就是節氣的變化。與天極是地極在天球上的投影類似，我們將赤道在天球上的投影稱為天赤道。天文學意義上，太陽從南向北穿過天赤道的這一天叫做春分。


由於歲差的存在，春分點每年都在向西移動，在一個歲差周期內正好沿著黃道，也就是太陽在天球上的軌跡轉動一周。因此如果使用不夠精確的曆法，每一年曆法上的春分日與天文上實際上的春分日就會累積一點誤差。


春分點變化

當天軸和天赤道由位置1進動到位置2時，春分點也會相應地變化


實際上，正是由於類似的原因，1582年時，兩者之間的差別已經有了10日之多，因此羅馬大公教會教宗格列高利十三世頒行了新的曆法，直接刪去了這差距的10日，並且採用了更精確的閏年設置方式來保證更小的誤差，這也是我們現在使用的公曆。


最後，我們來思考一個問題：

已知公元前11500年左右擔任北極星的是織女星，那麼下一次織女星重新成為北極星，大概是什麼時候呢？


提示：

在高中地理中我們知道，1回歸年=365天5小時48分46秒，1恆星年=365日6時9分10秒。課本中僅僅告訴我們，恆星年是以遙遠恆星為參照物的地球實際公轉周期，回歸年是以太陽周年運動為參照的地球公轉周期。實際上，回歸年的真正定義是太陽兩次通過春分點的時間間隔，利用這兩個數值和上文中提到的關於歲差的知識，就能計算出所需的結果了。


答案：

恆星年是地球實際公轉周期，因此回歸年與恆星年的差異表現在春分點進動上就是(恆星年-回歸年)/恆星年圈，從而進動的周期就是回歸年/(恆星年-回歸年)=25782年。


[1]：這是2006年的數據，現在應該會更小一些；

[2]：嚴格地說，勾陳一自身在宇宙中的運動也會引起每年幾十微角秒的視覺變化，但是這個歲差的效應比起來太小了，可以忽略。






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美編/小燈




 

 


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  • 既然有北極星,那有南極星麼?答案是肯定的,你知道是哪顆星嗎?
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