認識天空

張祥光

2002/06/17

在第一章裡我們做了一趟宇宙的旅行，現在讓我們回到地面上來，仰望星空。

我們抬頭仰望，這樣的動作，原始的人類在百萬年前有過，已經滅絕了的恐龍在兩億年前也有過。直到今日，我們仍然可以這麼想像：在地球夜晚的這一邊，有著諸多尚未入眠的生物，它們抬頭仰望。在我們忙碌(或不忙碌)的生活裡，我們是不是已經忘記了還有這樣一個滿是星星的天空了呢?

滿天星斗，要怎樣認識它們呢?在這一章裡，我們要介紹如何指稱天上的位置，星星的亮度，還有星星的命名方法，做為認識星星的第一步。

• 第一節、天球座標
• 第二節、星等
• 第三節、星座與星星的命名
• 第四節、黃道與春分點的移動

第一節、天球座標

張祥光

2002/06/19

夜空中的點點繁星每晚東升西下，就像太陽一樣。我們都知道這是因為地球自轉的關係。這些星星們看起來有的較暗，有的較亮。假如你看到一顆亮星(也許內心裡還深受感動)，你要怎樣在第二天上班的時候告訴朋友們這亮星的位置呢?也許你看到的是一個突然亮起的光點，這光點或許還會快速移動，或許會突然消失。你要怎樣向朋友描述光點的位置來證明你還是理智清醒的呢?

[f02-01-01冬天夜晚美麗的星空。這樣的天空在都市裡是看不到的。因為光害以及空氣污染的關係，我們必須到郊外或高山上才能看到滿天星斗。圖中最亮的是天狼星。因為攝影長期曝光的原故，亮星顯得比較大。事實上，肉眼或甚至使用望遠鏡來看，它們都只是一個光點，只是亮度不同。]

常常，我們為了能夠清楚精確地描述上某一點的位置，就必須採取比較定量的方法。像定義地球表面上的經緯度一樣，用兩個數字就可以清楚地標定某一個位置。我們把天空想像成一個天球，我們就在這天球的中心。因為使用的時機以及要描述的天體不同，在天文學裡有許多不同的方法來定義這「兩個數字」。這兩個數字叫做「座標」，不同的定義方式形成不同的座標系統。我們打算向各位介紹兩種常見的天球座標系統，也就是「地平座標系統」和「赤道座標系統」。

地平座標系統

我們經常會說在某個方向多高的地方有一個什麼東西在天上，這就是使用了地平座標系統。嚴格來說，我們先找出連接這個目標和我們正頭頂方向(稱為天頂)的一條假想線，這假想線延伸到地平線會有一個交點。我們以這交點的方位來定義目標的方位角。習慣上以正北為0°方位角，向東方繞一圈共分成360°。所以正東方是90°，正南方180°，正西方270°，以此類推。我們再以這交點和目標的夾角做為高度角，如此一來我們就有了方位角和高度角兩個座標值來指稱目標在天球上的位置了。有時候我們也用目標和天頂間的夾角(稱為天頂距)和方位角來做為這兩個座標。高度角和天頂距加起來永遠是90°。

[f02-01-02地平座標系統]

也許有人會懷疑這個座標系統好像太天真了。星星們不是都會東升西落嗎?的確，在這個座標系統裡，天體在天球上的位置是會隨時間改變的，而且即使在同一時間，從不同的地點來看，同一顆星的方位角和高度角也是不同的，所以使用地平座標系統應當同時說明時間和地點。這看起來有點麻煩，但是也有它好用的時候。像有些時候，在傍晚的西方天空或者日出前的東方天空，金星會在那閃閃發亮。假如我們用下一小節要介紹的赤經赤緯來說它的位置，我們會很難想得出來什麼時候在那個方向可以看到它。但是假如我們使用地平座標的話，那就方便多了。我們也經常用地平座標來描述一些彗星的位置。

赤道座標系統

地平座標系統以觀察者的觀點而言是很自然的一個系統。但是天上的星星們，似乎有著固定的相對位置。所以也許我們可以定義一套系統，使得每顆星星或天體在天球上有固定的位置座標。這其中最常被使用的就是「赤道座系統」。首先我們假想地球的赤道從地球球心向外投影出去，因此在天球上我們可以定義一圈相對應的天球赤道。相同地，地球北極所指向的天球位置就是天球北極。而天球南極與天球緯度都可以這樣定義出來。這樣我們就有了一個緯度(南北)方向上的座標。這個座標稱為赤緯。以天球赤道為0°，向北向南各分為+90°和-90°。

在東西方向上，就像地球的經度線一樣，我們也可以在天球上定義經度線，只是我們還要約定一個天球上的位置，做為天球經度的零點，就像我們把通過英國格林威治天文台的經度定義為零度一樣。天球上有一個特別的位置叫春分點(本章最後一節會再詳加介紹)，這是春分的時候太陽在天球上的位置。通過春分點的天球經度就定義為零度。我們這樣也就有了東西方向上的座標。這個座標稱為赤經，以春分點為零時，向東繞一圈均分為24時，每一時又均分成60分，每一分均分成60秒。請注意當我們說在天球上"向東"，指的就是地面上的東方。因此在地圖上，北方在上，東方在右，而在星圖上則是北方在上，東方在左。所以在天球赤道座標系統裡，我們用赤經赤緯來標定位置，每一個天體都有它固定的座標。例如織女星是在赤經18時36分56.2秒，赤緯+38度47分1秒。請注意赤經方向上的分和秒與赤緯方向上的分和秒是不同的意思。

[f02-01-04赤道座標系統]

座標系統 使用的座標(常用代號) 範圍 備註 地平座標系統 水平方位角(A)
高度角(h) 0°~360°
0°~90° 需指定觀測時間與地點 赤道座標系統 赤經(R.A.或α)
赤緯(Dec.或d) 0^h 0^m 0^s ~ 24^h 0^m 0^s
-90°~+90° 需指定使用那一年份的春分點位置

張祥光

2002/06/17

星星的亮度

天上的星星有的較亮，有的較暗。為了進一步定量地描述星星的亮度，早在西元前二世紀時，希臘天文學家希帕可斯(Hipparchus)就把星星們分成六個等級，一等星最亮，六等星最暗。到了19世紀，為了更精確地描述星星的亮度，人們使用儀器來測量星光，而不是只用肉眼。人們發現原先所稱一等星的星光強度大約是六等星的100倍。因此人們重新定義一個較精確的"星等"，也就是選定某一個星光強度當作零等星的標準，每減弱100倍的強度，則增加5個星等，因此5等星比0等星星光弱100倍，6等星比1等星也是弱100倍。在這種定義之下，每差一個星等，星光強度大約差2.512倍。

※進階教材

熟悉數學對數表示方法的讀者也可參考以下定義：

• m-m₀=-2.5log(F/F₀)
• m和m₀是星等，F和F₀則是星光強度。

星等不必是正整數

比0等星亮的也就按照這樣的定義採用負的星等，而且星等也不需要是整數，可以用更精準的數字來敘述。像織女星的星等是0.03，北極星是2.02(不太亮!)，天狼星則是-1.46。太陽的亮度換算成星等的話大約是-26.8。一般人在良好的觀測條件下肉眼所能看到最暗的星星是6等星。人的肉眼對星光強度的感應不是成線性比例的，也就是我們並不"覺得"1等星比6等星亮100倍。在可感應的範圍內，我們的反應常常和強度的對數成比例，這和使用"分貝"來定義音量是一樣的。

幾個星等的例子

• 太陽(-26.8)
• 滿月(-12.6)
• 金星最亮的時候(-4.4)
• 天狼星(-1.4)
• 北極星(+2.0)
• 人的肉眼極限(+6.0)
• 許多業餘用望遠鏡的肉眼觀測極限(~+12)
• 冥王星(+15.1)
• 1公尺口徑望遠鏡的肉眼觀測極限(~+17)

張祥光

2002/06/19

星座

自古以來在世界各地的文明裡都對滿是星斗的夜空有許多的描述。不同的文化賦予這些星星們不同的故事。人們把星星分成一群一群，給予不同的名稱。在中國有二十八星宿，而在西方則有從希臘以及阿拉伯神話流傳下來的許多星座。

[f02-03-01宋朝蘇頌《新儀象法要》中之部分星圖]

[f02-03-021729，Flamsteed的星圖]

[f02-03-031843年，Middleton的星圖]

星座的現代意義

"星座"原本指的是這一些被分群命名的星星們。隨著天文研究的發展，這樣的區分常常顯得太過粗糙。於是在1928年的國際天文聯合會(International Astronomical Union，IAU)會議中詳細定義了全天空88個星座的邊界範圍，把天空中的任何一個位置都包括了進來。從此以後，"星座"指的就是天上的一塊區域，像圖f02-03-04中所表示的一樣。

[f02-03-04星座的現代意義指的是天空中的一塊域。圖中是人馬座所包含的範圍。]

星星的名稱

至於個別星星的名稱則有不同的來源。

• 比較亮的星星常有獨有的名稱，像織女星(阿拉伯文稱Vega，是"老鷹"的意思)。
• 除了這些比較亮的，有固有名稱的星星之外，還有許多星星。為了給它們一個固定的名稱，在17世紀初，一位在現今德國南部巴伐利亞地區的律師拜耳(Johannes Bayer)發展了一個較有系統的方法，也就是依照每個星座裡星星的亮度依序給予一個希臘字母來命名。因此織女星(Vega)就是天琴座的阿爾發星(α Lyrae)。不過在好幾個星座裡並沒有完全依照這個規律來命名星星，像圖f02-03-04中的人馬座(Sagittarius)就是一個例子。
• 不過星星的數目總是比希臘字母多，尤其在17世紀之後，人們開始使用望遠鏡，所能看到的星星就更多了。於是18世紀時英國的弗萊姆史第德(JohnFlansteed)以及稍後法國的拉蘭德(JosephLaLande)進一步地使用阿拉伯數字依星星所在位置，由東向西，依序編號。於是織女星就成為天琴座的第3號星(Vega，α Lyrae，3Lyrae指的都是織女星)。
• 雖然阿拉伯數字沒有數目的限制，但是後來因為使用更好的望遠鏡，人們所看到的星星越來越多。這些星星並沒有繼續使用接下來的阿拉伯數字，以免破壞原先依位置的排序。因為天文研究的需要，每一個星球最好都能有一個專有的名字或編號。因此從19世紀以來，有多次的大規模「巡天觀測」，而每一次巡天觀測通常都會出版一份星星的目錄。在這目錄中每個星星都有它自己的編號。我們常用目錄名稱的縮寫加上在該目錄中的編號來指稱某一顆星球。再以織女星為例，它也稱為HR7001或者HD172167。其中HR和HD都是經常被使用的兩個目錄。
• 天空中除了星球以外還有許多不同的天體。這些天體都有各式各樣的命名方法。我們將在以後的章節裡提到的時候再介紹。

張祥光

2002/06/19

黃道與黃道十二宮

因為地球繞著太陽一年公轉一圈，所以太陽在天球上的位置也就每天有所移動，一年之後回到原來的位置。太陽在天球上所行經的軌跡稱為"黃道"。事實上這也就是地球公轉軌道面和天球相交的地方。

[f02-04-01黃道與黃道十二宮]

在黃道上有12個星座，一般稱為黃道十二宮，如圖f02-04-01所畫。在第二章第一節中介紹赤道座標系統時，我們也曾定義地球赤道面和天球相交處為天球赤道。天球赤道和黃道會有兩個交點。其中太陽由南天球移向北天球所經過的交點稱"春分點"，當太陽到達這個位置的時候就是二十四節氣中的「春分」，一般是在陽曆3月22或23日。另一個交點則是「秋分點」。

[f02-04-02春分點與秋分點]

一般西洋占星術中以一個人出生時太陽所在位置的星座做為這個人所屬的星座，所以天蠍座的人在生日的時候是看不到天蠍座的─因為太陽就在那個位置。下表列出目前太陽經過各個星座的時間。

地球的"進動"

讀者們一定會發現上表裡所列的日期和你們原先所熟知的約有一個月的差距。事實上這是因為西洋占星術大約是兩千年前就有了的，大家所用的是當時太陽經過各個星座的日期。而這個差異是由於地球自轉的"進動"所造成的。就像玩陀螺一樣，由於太陽和月球的引力作用，地球的自轉軸並非固定指向某個方向，而是會緩慢地改變方向，以大約2萬6千年的週期繞一個圈。地球自轉軸所指的方向也就是天球北極的方向。所以今天的北極星在相當一段時間之前或之後都不適合做北極星。大約一萬二千年後，天球北極會指向現在織女星的方向。那個時候的人們(假如還有"人"的話)應該會用織女星作為北極星。請參考下圖。

[f02-04-03天球北極位置的改變]

春分點的移動

天球北極改變位置，天球赤道也就跟著改變位置，因此春分點(和秋分點)也就會沿著黃道移動，以二萬六千年的時間繞一圈。採用春分點做零點位置的赤道座標系統因此有一個隨著年代不同而不同的零點位置。通常我們會選用一個相近年代的春分點做標準，所以大約在1980年之後，大家所用的赤經赤緯都是以2000年的春分點來做零點位置。在此之前則是使用1950年春分點。當我們描述某個天體位置時應該同時說明所使用的是1950年還是2000年的春分點。