5分鐘帶你讀懂孩子們最喜歡的天文學,做孩子有趣有料的科普父母

上文介紹完星辰系統後，5分鐘帶你讀懂孩子們最喜歡的天文學，秒變小朋友崇拜的科普父母

只能算是成為科普父母的入門，離進階版還有一段路，本文緊接著介紹第二部分內容-天界現象。

01星辰圖

由於星辰之間相距遙遠，我們憑藉肉眼無法對宇宙大小有一個清晰的認識，而且難以想像我們距離這些天體究竟有多遠。如果我們能夠發現星辰之間的距離，如果我們能夠看見恆星和行星表面的特徵，那麼，宇宙的真實結構便會呈現在人們眼前。

無邊宇宙

只要思考一下就會明白，如果我們能夠與地球的距離相當遠（如地球直徑的一萬倍），那時我們無法看見地球的大小，只能看見一個小點，在太陽的照耀下，這個點一閃一閃的猶如天上的星星。古人沒有想像出這一點，他們認為天體就像看見的樣子，與地球截然不同。

即使是現在，當我們仰望天空時，同樣難以想像恆星要比行星遙遠千百萬倍。在天空中，它們好像以相同的距離分布著。只有邏輯和數學才能讓我們了解它們真實的分布情況。由於難以想像它們之間的遙遠距離，所以難以在心中形成一幅符合實際情況的圖畫。

螺旋星雲

02科學腦補星辰圖

在這裡，我們要集中注意力，以便我用簡單的方法表示出這些複雜的關係，將實際情況與我們見到的情況聯繫在一起。

假如將地球從我們腳下移開，我們在半空中懸浮著。那時候，我們會發現周圍環繞著各種天體（太陽、月球、恆星、行星等），遍布上下左右和東西南北。那時，我們不會看見其他東西。正如上述所說，這些東西在我們眼中的距離是相同的。

從中心點以相同的距離向周圍擴散的許多點都位於同一空洞球體內部表面。

因此，在這種情況下，許多天體在我們看來同樣位於一個球面上，而我們正好處於球的中心。由於天文學的研究對象是我們看見的天體方位，所以我們看見的大球好像存在於天文學中。這就是「天球」。

在我們的想像中，一旦失去了地球，天球上的所有天體都會停止運行。一天天過去了，一月月過去了，那些恆星停在那兒一動也不動。如果我們認真地觀察那些行星，便會發現它們在幾天內或者幾個星期內（由各自的情況決定）繞著太陽運行，但這種情況不是一下子就能發現的。

我們首先會考慮這個天球是由什麼構成的，為什麼那些天體可以固定在它的內部表面。古人曾經考慮過這個問題，他們將其修正得更加貼近實際情況，他們想像出許多球形嵌套起來，以此表示天體之間的不同距離。

接下來，我們將地球搬回來。現在，請你想像一下：與天空的大小相比，地球僅僅是一個微點：但如果我們將地球放在合適的地方，它的表面便會擋住我們眼中的一半宇宙，猶如一個蘋果可以擋住趴在上面的個小蟲眼中的半個房間一樣。

地平線上能夠看見的一半天球叫做「可見半球」，地平線下無法看見的另一半天球叫做「不可見半球」。當然，我們在地球上的位置改變之後，便可以看見另一半球。

了解了這種情況之後，請你再次集中注意力。我們知道，地球不是靜止不動的，而是時時刻刻在繞著中心軸轉動，這樣使得整個天球看起來沿著相反的方向旋轉。

地球自傳

由於地球自西向東轉動，所以天球好像是自東向西轉動。這種地球自轉和由此導致的星辰的視轉動就是「周日運動（ diurnal motion），因為此種運動一日一周。

03星辰的每日視轉動

接下來，我們分析一下地球自轉的簡單現象和由此引起的天體周日視轉動的複雜現象之間的聯繫。

如果觀察者在地球上所選擇的緯度不同，後者也會發生相應的變化。我們首先討論一下北緯中部觀察到的現象。為了實現這個目的，我們先將天球想像成一個內部空心的大球。雖然這個大球可以無限大，但一個直徑10米的球已經足夠了。

現在，下圖表示大球的內部，這個球被固定在P和Q兩個點上，使其能夠傾斜轉動。在中心點O上放著一個平面盤子NS，我們坐在盤子中。星座位於大球內部，分布在整個表面上，但盤子遮住了下面一部分，所以我們無法看見。顯然，這個盤子可以表示地平線。

現在，我們讓這個大球繞著轉軸PQ轉動。此時，我們會見到什麼情況呢？我們發現，P點附近的星星會繞著P點旋轉。KN圈上的星星轉動到P點下面時會與盤子的邊緣相互摩擦。

距離P點更遠的星星會落在盤子下面，有近有遠，由它們到P點的距離決定。EF圈附近的星星處於PQ之間，它們的旋轉路程一半位於盤子上面，另一半位於盤子下面。ST圈內或者圈下的星星，無法轉動到盤子上面去，所以我們不能看見。

在我們眼中，天球就是這樣的球體，只是無限大而已。我們覺得，它也是將天上某兩個點的連線當成轉軸一直在旋轉，太陽及星辰隨著其轉動。

星辰之間的位置不變，好像固定在旋轉的天球上。這樣一來，如果我們在夜間的任意一個時刻為星辰拍攝一張照片，那麼，它們在其他時刻依然處於照片中的位置，只要我們能夠選擇準確的方位。

我們將轉軸的P點稱為「天球北極」（ north celestial pole）北緯中部的居民看來，它位於北天上，幾乎是天頂與北方地平線的中心。越往南走，北極越接近地平線，它到地平線的高度恰好等於觀察者所在地的緯度。

距離北極很近的一顆星星是北極星，我們在後面會講述如何尋找它。對於平時的觀測來說，北極星幾乎不會移動。其實，它與北極的夾角只有度多，我們現在不討論這個差別。

與天球北極相對的是「天球南極」（ south celestial pole），它位於地平線之下，與北極到地平線的距離相同。

顯然，我們所在的緯度上觀察到的周日運動是傾斜的。當太陽從東方升起時，看起來不是從地平線上一直升起，而是向著南方與地平線呈現個銳角。因此，當太陽降落時，它還是以傾斜路線向著地平線靠近。

04北天和北極星

現在，我們想像有一個非常大的圓規，它可以接近天界。我們將圓規的一隻腳固定在天球北極，然後將另一隻腳放在北極下面的地平線上，接著在天球上畫出一個大圓。

這個大圓的下面連接著地平面，而北緯地區的居民看來，它上面的最高點快要接近天頂了。大圓中的星星永遠不會下落，只是每天繞著北極轉動一圈。因此，這個大圓叫做「恆顯圈」

大圓外南部的星星有升有落，越靠南的星星每天在地平線上走過的路程越少，直到最南方的一顆星星，只在地平線上出現一下便消失了。更南方的星星，在北緯地區根本無法看見。那些星星位於一個「恆星圈」中。恆隱圈的中心是天球南極，與恆顯圈的中心是天球北極一樣。

下圖是在北方觀察到的恆星圈內北天的主要星座。將合適的月份轉到頂部，我們便會觀察到當月每日8點左右北天中的星座。圖中顯示了尋找北極星的方法，即將大熊星座（也就是北鬥七星）中的兩顆「指極星」（ Pointers的連線延長，正好指向北極方向。

現在，我們改變一下所處的緯度，看看有何變化。

如果我們向著赤道方向前進，我們的地平方向將會隨之改變，而且發現北極星慢慢向下降落。我們快要到達赤道時，它也將要接近地平線；我們到達赤道，它也到達地平線。

當然，恆顯圈逐漸變小，我們到達赤道時，恆顯圈徹底消失，天球的兩極分別位於南北方向的地平線上。與我們觀察到的周日運動相比，那裡的周日運動完全不同。

太陽、月球、星辰升起時一直向上運動。假如有顆星星從正東方升起，一定會經過天頂；從偏南方向升起的星星，一定會經過天頂南邊；而從偏北方向升起的星星，一定會經過天頂北邊。

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