西蒙·纽康讲天文学(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：（美）纽康

出版社：武汉大学出版社

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西蒙·纽康讲天文学试读：

当我们心情激动地翻开这本天文学图书，一定会期待开启一段神秘的奇幻之旅。

在启程之前，我们先来热热身，去探访一下蕴含着无限可能的宇宙。在那个空间里，你能更快地了解我们生存的空间。

聪明的你一定已经开始幻想了，对吗？

我们探访的空间要比我们脑海中想的还要远。为了能清楚地了解这个“远”的概念，我们打个比方，用光的运行速度来测量一下吧！小知识：光速光速是指光（或电磁波）在真空中的传播速度，它是目前所发现的自然界物体运动的最快速度——299792.458km/s。

光是非常了不起的“运动员”，它一秒钟可以奔跑30万千米，就是当你家的钟表秒针移动两下的时间，它已经围绕地球奔跑七圈半啦！

不过，即便是光，要抵达我们所要探访的空间，也需要走上100万年！所以我们永远也到不了那里，只能靠着聪明的脑袋去想象它。不过我们暂且不管它，因为那个地方不属于我们人类生存的范围。图1-1 宇宙中每一个光点都是一个又一个的“星系”小知识：银河系银河系（古称银河、天河），是太阳系所在的星辰系统，包括1000亿到4000亿颗恒星和大量的星团、星云，还有各种类型的星际气体和星际尘埃。2003年1月，英国科学家发现，银河系外围可能镶嵌着一个由数十亿颗恒星组成的巨大的环。银河系拥有巨大的盘面结构，有一个银心和2个旋臂，其中太阳所在的猎户座臂就是一个主旋臂的小分叉，而我们居住的地球则属于太阳系中的一颗行星。

在浩瀚的宇宙中，我们人类生存的空间叫作银河系。

如果我们可以在星际空间中穿行，那么你一定会感到无比惊讶，因为你一定从未见过一大团色彩缤纷的光雾，像魔术般变出一些珍珠般珍贵的小光点，这些光点就是我们晚上能看到的洒满夜空的星辰。要是我们能用这样神奇的幻想穿过整个光雾，就会发现，在浩瀚的宇宙中，什么都没有，只有铺天盖地的光云；一些色彩和形状各不相同的光雾。宇宙黑得像黑天鹅的羽毛一样，大方、庄重。

不要急着穿过那片美丽的光云，我们先选定一颗星星，稍微减慢一些我们的速度，这样能更仔细地观察它。

这颗星星并不太大。我们愈是接近它，它愈是明亮起来。过了一段时间，它便亮得如同远处的烛光一样；再过一段时间，它就可以照出影子来了；又过一段时间，我们可以用它的光读书了；再过一段时间，它光彩夺目，光芒四射。图1-2 从无光污染的内华达州黑岩沙漠（Black Rock Desert）望向射手座方向的银河（包括银心）

现在看起来它真像个小太阳——它可不正是我们的太阳嘛！

接着，我们再选定一个在太阳附近的位置，当然这要根据我们刚才行驶的路程来定。要是按照我们普通的测量方法来计算，又是好几十亿千米呢！在这个位置上看，你会发现有8个星状的光点围绕着太阳，只不过在距离上各不相同。假如你在这个位置上花相当长的时间去观望它们，就会发现一些神奇的现象：

它们都是围着太阳运行的！图1-3 太阳

它们都有自己的小脾气——环绕太阳运行一周的时间各不相同，有的3个月环绕一周，有的却需要165年！

它们与太阳之间的距离也不相同，最远光点的距离是最近光点距离的80倍！

如果我们再仔细观察一下就会发现，它们都是黑暗的物体，而身上发出的光亮都是向太阳借来的。

它们有个统一的名字——行星。

为了发现它们更大的秘密，我们再靠近一步，探访其中一颗行星。考虑到它们与太阳之间的距离，我们就选第三颗吧！

靠近它，与它到太阳的直线恰好组成一个直角，我们去它的顶端，会发现它越来越亮了。

再靠近一点儿，它就变得像月亮一样半明半暗了，这边黑暗，另一边光辉明亮。

再靠近一点儿，被照亮的部分慢慢扩大，并且有了一些斑点。

再靠近一点儿，斑点扩大成了海洋和陆地，但因大部分被云遮住，我们还看不到表面。另外一边虽然没有太阳的照射，但我们仍然发现了一些不规则分布的明亮斑点，看上去就好像钻石上闪耀的光芒，这便是我们人类发明的杰作——城市里霓虹灯发出的五彩灯光。

再靠近一点儿，我们看到的表面不断扩大，慢慢地，我们落在地上，回到了地球。

一段神奇之旅就这样结束了。小知识：行星沿不同的椭圆形轨道绕恒星运行的天体，本身并不发光，只能反射恒星的光。太阳系有八大行星，按照离太阳由近及远的次序，依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。此外，宇宙中还有许多小行星。

在这段旅行中我们获得了一个很重要的知识，那就是黑暗的宇宙中布满了像太阳一样明亮的星辰，而我们看到的太阳只是其中之一。相比较起来，太阳还是小一点儿的呢！因为我们知道，许多星辰比太阳发出的光芒还要亮、还要热。要是有个比赛来判定它们，那太阳真是没什么突出的。不过，对于我们来说，它就变得伟大和重要了，因为地球上的生命都与它有关。图1-4 太阳系第三颗行星就是地球

这就是我们的星辰系统，我们从地面上看到的同我们神奇之旅中见到的一样。天空中布满的正是那些星辰，只不过观察的位置不同，视觉效果也不一样罢了。

白天，太阳掩盖了天上其他星辰的光芒。假如我们盖住太阳的光芒，一定可以看到其他星辰也在夜以继日地运行，从不停歇。

这些星辰围绕着我们，仿佛地球才是整个宇宙的中心点，但其实这样的想法是我们祖先臆测出来的。事实上，地球只不过是宇宙中一个非常非常小的部分。

太阳系

我们的星系被称为太阳系，因为是以太阳作为主星，一群仆星围绕着它运转的结构。图1-5 太阳系的主要成员：由左至右依序为（不按比例）海王星、天王星、土星、木星、小行星带、太阳、水星、金星、地球和月球、火星，在左边可以看见一颗彗星

比起宇宙中星辰之间令人咋舌的距离，太阳系的范围实在是太小了。它被空洞而辽远的空间包围，就算我们从太阳系的一边跑到另一边，也不会因此离其他星辰更近，就算是到了太阳系的边缘，依然起不到什么作用。

那么，先让我们来做一个宇宙模型：

首先，想象一下我们所居住的地球，用一粒芥子来代表它。照这个比例，月亮便是仅有芥子直径1/4大的一粒微尘，放在离地球2.5厘米远的地方。太阳可以用一个大苹果来代表，放在离地球12米远的地方。其他行星的大小各不相同，约从一粒不可见的微尘到一粒豌豆，离太阳的平均距离差不多在4.5～540米之间。

想象一下，这些小东西开始慢慢地围绕着大苹果（太阳）兜着圈子，每圈所用的时间当然也不一样，从3个月到165年不等。当然，我们也不会忘了月亮运行的特殊性，它有些调皮，既陪着太阳转又陪着地球转。芥子（地球）每年绕大苹果（太阳）转一圈，月亮也绕大苹果（太阳）转一圈，只不过，月亮还同时绕着地球这粒芥子转，每一个月转一圈。

照这样的比例算下去，我们的太阳系模型就能在2.5平方千米的范围内摆下了。在这个范围之外，偶尔有几颗彗星散布在模型的边界，除此之外，我们什么也看不到。

在很远很远的地方，我们才会碰上一颗最邻近的星星。而这颗星星就像太阳一样，是另外一个星系的中心。再远些，还会有这样的星系。不过按照我们模型的比例来说，如果在地球这么大的地方摆放这些星系，恐怕也就只能容纳两三颗。第二节天界现象

由于星辰之间的距离太远，单凭我们的肉眼，很难明确地知道宇宙的大小，即使通过想象也估算不出地球与天体的实际距离。如果我们能够通过肉眼看出宇宙和星辰的远近，能够清晰地看到恒星与行星表面的形态，那么宇宙的秘密早就在人类开始研究星空的时候被发现了。小知识：宇宙宇宙是万物的总称，是时间和空间的统一。宇宙三要素包括时间、空间、质量。宇宙是物质世界，不依赖于人的意志而客观存在，并处于不断运动和发展中。它在时间上没有开始、没有结束，在空间上没有边界和尽头。

只要你稍微动脑筋想一下就会知道，如果我们站在距离地球足够远的地方看，在太阳的照耀下，地球也会变成闪烁的星星，就像其他星星一样。

但是古人没能想到这一点，他们一直认为天上的星辰与地球是不同的。即使到了现代，当我们仰望星空时，还是很难相信这个事实。只有运用逻辑学和数学折射出来的理性光辉，才能了解它们真实的分布和远近距离。图1-6 天空中的群星

正因如此，我们才很难在心里形成一幅与它们真实关系相符的图画。所以，读者们一定要拿出十二分的注意力和想象力，听作者把这些错综复杂的关系用简单的话语表达出来，帮助你们理解星辰的真实情况。

假设我们把地球从脚下拿开，剩下悬在半空中的我们。我们便会看见太阳、月亮、行星、恒星环绕在我们周围，上下、东西、南北都有。假设我们是某个球的中心，如果将大量的点以我们为中心，然后向各个方向以相同的距离散开，那么它们一定都在这个球的表面上。所有的天体就像被安置在这个球面上一样。

天文学研究的是天体的方位，而这个球便是所谓的“天球”。

基于这种想象，脚下的地球一旦消失，所有在天球上的天体就会静止不动。时间一天天地过去了，恒星却丝毫不动。但是如果我们静静地观察就会发现，行星们却在悄悄地围绕着太阳运行。图1-7 地球在一个半径相对细小，以地球为基础的天球中旋转。图中还可见黄道（红）和天球坐标系统上的赤经、赤纬（绿）

心中有了这样一个概念，那么让我们把地球搬回来吧！

考验一下你们的想象力，地球与天空相比，只是一个小微点。但如果我们把它放在相应的位置上，它的表面就会遮住一半宇宙。就像我们把一个带虫子的苹果放在房间里，在小虫眼儿中看到的房间就是被苹果遮住一半的房间。

在地平线上，有一半的天球是可以被看见的，它们叫作“可见半球”；另外一半被地球遮住的、看不到的天球叫作“不可见半球”。当然，我们也可以坐飞机去看另一半的天球。

你肯定知道地球不是静止的，而是绕着一根转轴旋转，对吗？

因为我们平时看到的天球是从东往西转，所以地球的自转是从西往东转，整个天球看起来是向相反方向转动的。这种由地球自转和天球自转引起的星辰的视觉转动叫作“周日运动”，因为它们是一日一周的运动。小知识：周日运动周日运动亦称为周日视运动，是地球上的观测者每天观测到天空上的天体明显的视运动状态，在近极区尤为明显。这是由于地球绕轴自转导致的，使所有天体都绕着这个轴（从观测者眼中即绕着北极星）做圆周运动，月亮的东升西落就是周日运动的体现。

星辰的每日视转动

了解了“周日运动”，再来了解一下地球自转引起的天体周日视转动所表现出来的复杂现象之间的联系吧！我们所说的周日视转动因地球上观察者所在的纬度不同而不同。

为了弄清楚这个问题，我们先从北纬中部的现象说起。

我们依然要先想象出一个天球，它必须是内部空间足够大的空球。如图1-8所示，整个大球被固定在转轴的两点（P和Q）上，使它能倾斜地旋转。图1-8

在中心点O上，有一个类似平盘子的形状连接两点（N和S），而我们就坐在上面。星座就待在大球内部的表面上，球体的下面一半也有星座，只是被盘子遮住了。而这个盘子就代表了我们的地平线。

现在，我们要让大球旋转起来。同时，我们会看到P点附近的星星也围着P点在旋转。在KN圈上的星星会随着大球的旋转碰到平盘子的边，而离P点更远一点儿的星星会落到平盘子底下，距离或远或近，这根据它们离P点的远近而定。

靠近EF圈的星星处在PQ点之间，当球体旋转起来，它们周围的星星一半在平盘子下面，一半在平盘子上面。而ST圈上的星星再怎么旋转，也不可能到平盘子的上面来，也就意味着它们永远不能被我们看见。

转轴的P点叫作“天球北极”。在北纬中部居住的人们（当然这包括我们中的大部分人）眼中，它便是北天上。我们住的地方越靠南，北极越靠近地平线。它离地平线的高度相当于观察者所在地的纬度。

距离北极最近的一颗星便是人们常说的北极星。在长期的观察当中，我们发现北极星几乎不怎么移动，它离北极也仅有一度多一点儿。

正对着天球北极的是“天球南极”，它在地平线的下方，与北极离地平线的距离一样远。

很明显，在我们的纬度上所看见的周日运动是倾斜的。

当太阳从东方升起，它看起来并不是从地平线上升起的，而是沿着斜向南方与地平线成一个或大或小的角度来运动的。当它落下的时候，也是沿着这样的倾斜角度运动的。

让我们想象出一支极大的圆规，大到可以连接天界。我们把它的一只脚定在天球北极，另一只脚定在北极下面的地平线上。让定在北极的那只脚不动，用另一只脚在天球上画出一个大圆圈，这个圆圈的下面正好与地平线相连。而在我们所处的北纬地区看，它的上面差不多已经接近天顶了。

这个圆圈里面的星星是永远不会落下的，它们看起来只是每日环绕北极转动一周。因此，这个圆圈就叫作“恒显圈”。

在这个圆圈之外，更南边的一些星星有升有落。但是星星越靠近南边，它们每天在地平线上的路程就会越少。直到最南方的一点上，星星只会在地平线上一闪而过。

在我们的纬度上看，更南边的星星根本不会出现。那些星星都在一个叫作“恒隐圈”的圆圈中。恒隐圈以天球南极为中心，就像恒显圈以天球北极为中心一样。图1-9 天球被天球赤道平分小知识：黄道黄道指地球绕太阳公转轨道平面与天球相交的大圆。由于地球的公转受到其他天体引力的作用，黄道在空间位置上会产生不规则的连续变化。在这个变化中，瞬时轨道平面总是通过太阳的中心。

为了方便读者们的思考，请看图1-10，这是北方所见的恒显圈的北天的主要星座。如果把适当的月份转到顶上来，我们就可以在当月每晚的八点左右看到北天星座了。

图中还标出了寻找北极星的方法，就是顺着大熊星座中七颗星星（北斗七星）中的“指极星”的延长线所指方向寻找。小知识：天赤道天赤道是天球上假想的一个大圈，位于地球赤道的正上方，也可以说是垂直于地球地轴把天球平分成南北两半的大圆。当太阳在天赤道上时，白昼和黑夜到处都相等，因此天赤道也被称为昼夜中分线或昼夜平分圆。

让我们再换个角度想一想，如果我们是向着赤道方向旅行，我们的地平线方向也就改变了。在途中，我们可以看到北极星渐渐地往下落，而且越来越低。当我们接近赤道时，它也接近地平线。我们到达赤道时，它就到达地平线了。当然，刚才说的恒显圈也会越来越小。我们到达赤道时，恒显圈就完全消失了。图1-10

南北方向地平线上各有天的一极，那里的周日运动和刚才我们所提到的完全不同。太阳、月亮、星辰一同升起。如果刚好有一颗星星从正东方升起，那么它必定会经过天顶。

天上升起来的偏南的星星一定从天顶的南边过去，偏北的星星自然也就从天顶的北边过去。

再向南走，就到了南半球。那时我们会看到，虽然太阳是从东边升起，但却是从天顶的北面橫过中天了。

南北两半球最大的不同就在于此：太阳既然从天顶的北边过中天，那么它的视转动就不像我们这儿一样，跟钟表上的时针方向一致，而是相反的了。

在南纬中部，天空中不再是我们熟悉的北天星座，而是新的南天星座。有些南天星座还以美观而著称，例如：南十字座。图1-11 深度曝光的南十字座

通常，人们认为南天上的星星要比北天上的星星更加美丽繁多。但经过计算发现，南北天上的星星数量几乎相等。但由于南天天气相对晴朗，南非洲以及南美洲的空气确实比北方的空气中的烟雾少，同时气候又比较干燥，因此南天的星星就显得繁多一些。

我们所说的北天星辰环绕天极的周日运动同样适用于南天。只不过南天没有所谓的南极星，因此没有办法找出天球南极来。

南半球也有其恒显圈，越往南去，圈越大。这就意味着南极周围有一圈星辰永远不落，而且绕着南极转，方向正好与北天上的星辰相反。

相对而言，也会有一个恒隐圈，其中包括了北极附近的星辰，而这些星辰在我们北纬上永远不落。一旦我们超过南纬20°，就绝对看不见小熊座的任何部分，再往南去，大熊座也只在地平线上露出一小部分。

如果我们再继续往南旅行，那么我们就再也看不到星辰的升落了。因为那些星星都平行地绕着天上的一点转动，中心南极便在天顶。这种情况在北极也是一样的。第三节时间与经度的关系

众所周知，一条从北向南通过某地的线叫作该地的子午圈。地球表面的子午圈就是由北极至南极之间所做的半圆。这种半圆从北极向各个方向散开，因此我们可以将这条线画到任何地方。图1-12 黄道和赤道的关系：赤道是垂直地球自转轴的平面，与轨道平面（黄道）的夹角是轨道倾角，也就是黄赤交角

格林尼治皇家天文台的子午圈是当今国际公认的经度计算的起点，大部分地区的时间就是以此为依据而定的。

相对于某地地上的子午圈，天上的子午圈（即地上的子午圈在天球上的投影）是从天的北极起始通过天顶，在最南点与地平线相交，再往南直达南极所形成的半圆。

既然地球绕着轴旋转，那么天上的子午圈和地上的子午圈也必然会跟着一起旋转的。因此，天上的子午圈在一天之内会经过整个天球，而在我们看来却是天球上的每一点在一天之内都要经过子午圈。

中午是太阳通过子午圈的时刻。现代计时工具出现以前，我们的先辈都是依照太阳的高低定钟表上的时间的。

可是，由于黄道的倾斜角与地球绕日轨道的偏心率的原因，太阳每次经过同一条子午圈前后所间隔的时间并不完全相同。也就是说，如果钟表的时间准确，太阳通过子午圈的时间或许在12点之前，或许在12点之后。图1-13 日晷

如果明白了这个道理，那么肯定不难区分视时与平时了。视时是依太阳而定的每日长短不等的时间，平时是依钟表而定的每日长短相等的时间。两者之间的差别就是我们常说的时差，它们相差最多的时候约在每年11月初和2月中旬。

11月初，太阳在12点前16分钟经过子午圈；2月中旬，太阳在12点后14分钟经过子午圈。

为了定出平时，伟大的天文学家想象出了平太阳的概念。平太阳就是永远顺着天球赤道运行的，每次经过同一子午圈所间隔的时间完全相同。根据想象出来的平太阳，就可以确定每天的时间。

假如地球是静止不动的，平太阳绕着地球旋转，陆续经过各地的子午圈。那么我们想象中的平太阳就可以周游世界了。图1-14 太阳时

在我们的纬度上，它的速度不过是每秒300米左右。也就是说，假如我们所在的地方是正午，1秒钟后，向西300米的地方便是正午；再过1秒钟，再向西300米的地方是正午。以此类推，24小时以后，正午又回到我们这儿了！

这种情形最显著的结果是：任何两个在不同子午圈上的人都不可能处在相同的时间里。我们向西方旅行，会觉得我们的表比当地的表走得快；反之，我们向东方旅行，我们的表变慢了。这种不同的时间叫作“地方时”。

标准时

由于地方时的差异，曾给旅行者带来很大的不便。

过去，铁路运营者都有自己的子午圈，依照自己的时间开车，而旅客们却总是按照自己的钟表安排时间，所以很容易误了火车。

直到1883年，我们现在的标准时间制度才得以建立。在这种制度之下，每15°（也就是太阳每小时经过的地方）都有一个标准的子午圈。正午经过标准子午圈的时候，两边7.5°加在一起才算是正午。这叫作“标准时”。小知识：时区时区是地球上的区域使用同一时间定义。为了各地的方便，有关国际会议将地球表面按照经线从西到东划分为24个时区，并且规定相邻区域的时间相差1小时。

用这种标准时间，在太平洋、大西洋之间穿梭的旅行者在跨越时区时，只要每次把钟表拨快或者拨慢1小时，便与在单一时区中毫无差别。

民国时期，中国设置了5个时区，即中原时区、陇蜀时区、新疆时区、长白时区和昆仑时区。时区不同，所在地的时间也不一样。新中国成立后，全国采用以首都北京所在的东八区的时间作为全国的标准时间，统称为“北京时间”。图1-15

太阳的东升西落是按照地方时而定的，而不是标准时。所以在我们的日历中标注的太阳东升西落的时间并不能确定我们钟表的标准时，除非我们恰好住在标准子午圈上。这种差异使我们在旅行时东西游走，地方时不断改变，而标准时却只在我们经过某一时区的边界时，一下子跳过去1小时。

日期在什么地方改变“午夜”就像“中午”一样不断地绕着地球旅行，陆续经过子午圈。每过一处便表示该子午圈上的地方又开始了新的一天。假设它经过某处的日期恰好是周一，那么它再经过时便是周二了。

因此一定有一条子午圈是周一与周二的交界处，或者说是两天之间的交界。这一划分日期的子午圈叫作“国际日期变更线”，人们根据习惯和便捷性来划定这条线。

当移民向东西方向迁移的时候，人们便把日期带了过去。但直到向东去的移民跟向西去的移民在一处相遇了，他们才发现彼此的日期相差了一整天。向西去的移民还在过周一，而向东来的移民却已开始过周二了。

这便是美国人到阿拉斯加时所发生的事情。俄国人向东走到了这地方，美国人向西走到了这地方。可是美国人还在过周六，而俄国人已经在过周日了。

于是产生了一个问题：当地居民要到希腊教堂做礼拜的时候，到底应该按照哪边的日期算呢？这个问题被圣彼得堡大教堂的主教知道了，最后还来请俄国国立普尔科沃天文台台长斯特鲁维解决。斯特鲁维做了一个报告，认为美国人的算法比较正确，于是日期最终更改一致了。

现在规定的国际日期变更线是正对着格林尼治的子午线。这条界线恰好在太平洋中间，经过很少的陆地——只有亚洲的东北角，也许还有斐济群岛（Fiji Islands）的一部分。这是一种很有利的情形，可以避免日期变更线经过一个国家内部会发生的种种不便。

国际日期变更线并不是严格的地上子午圈，为了避免上述的不便，它可以曲折拐弯。因此，查塔姆群岛上的日期跟邻近的新西兰的日期一致，虽然格林尼治180°的子午圈正好从它们中间经过。图1-16 在东经、西经180°附近的国际换日线第四节怎样确定一个天体的位置

读者们，在这一节里，作者不得不引用一些专有名词。如果你只是想了解一下天界现象的话，那么这一节并不是那么重要。但如果你是个天文爱好者的话，就一定不能错过这一节的知识。

你还记得第二节里我们曾经想象过的天球吗？如果快忘了，就快翻回去看看，回想一下我们研究的两个球的关系：

一个是真实的地球，我们正踩在它的上面，它每天带着我们不停地旋转；另外一个仿佛是天上存在的天球，它并不是真实存在的，但我们一定要在脑海当中想象出它。因为如果想象不出它，我们就没办法知道要到什么地方去寻找天体了。

我们身处天球的中心，天球上的东西好像在球的内部表面上，而我们是在地球的外部表面上。

为什么要提到这两个球呢？因为这两个球上的许多点都有相似的关系。我们已经说过，地球的转轴指出我们的南北极，又从两个方向直橫过长空，指出天球的南北极。

我们知道地球赤道环绕着地球，离两极同样远。在天球上也有一条赤道环绕着天球，与两个天极各成90°。如果把它从天上画出来，那么我们就能看到它永不改变的样子。

但事实是，我们必须准确地想象出它的形状。它在正东正西两点上与地平线相交，实际上就是3月和9月（春秋分），太阳在地平线上的12小时内，由周日运动在天上移动的那一条路线。

从美国北部各州看，它正好横过天顶与南方地平线之间的正中间。越往南，它就越接近天顶。在中国的大部分地区看也是如此。

就好像我们有平行于赤道而环绕地球赤道南北的纬度圈一样，天球上也有这样平行于两个天极的圈子。正像地球上的纬度圈越接近两极越小一样，天球上的纬度圈也是越接近天极越小。

我们都知道，地球上的经度是根据通过该地从北极到南极的子午圈而定的。这个子午圈与格林尼治子午圈所成的角度便是当地的经度。在天球上，我们也可以找到类似的东西。图1-17

我们想象一下，有一些介于北天极与南天极之间的线朝各方向上散开，但是与天球赤道成直角正交，如图1-17所示，这便是“时圈”。其中之一叫作“二分圈”，图中也标示着。这条线正好通过春分点（但是这节我们先不讲）。它在天上的作用与格林尼治子午圈在地上的作用相同。

天球上一颗星星的位置可以与地球上一座城市的位置用相同的方法来定，即由它的经纬度来表示。但是用的名词却有很大的差别。

天文学中，相当于地上经度的叫作“赤经”，相当于地上纬度的叫作“赤纬”。于是我们就有了以下一些定义，读者们一定要牢牢地记下来，因为以后还会用到！

一颗星星的赤纬便是它距离天球赤道在南北方向上的视距。图中的星星正在赤纬北25°。一颗星星的赤经便是经过这颗星星的时圈与经过春分点的二分圈所成的角度。图中的星星正在赤经3时上。小知识：线速度物体上任意一点对定轴做圆周运动的速度称为线速度。它的一般定义是质点（或者物体上的点）做曲线运动（包括圆周运动）时所具有的即时速度。它是描述做曲线运行的点运动时所具有的即时速度，其方向是沿运动轨道的切线方向。

当然，在天文学中，一颗星星的赤经通常用时分秒来表示，也可以用度数来表示，正如地上的经度一样，如果用时表示的赤经的度数，就要乘以15。这是因为地球在每小时内旋转15°角。

从图中还可看出，纬度的相差体现在直线距离上，全地球上的长度都一样。但是经度的相差是不一样的，经度的直线距离从赤道到两极越来越小。

在地球赤道上，1经度的实际距离约111.8千米；但是到了南北纬45°上，它却只有67.6千米了；在南北纬60°上，它已不到56千米了；在两极处，它就相当于零了，因为各子午圈在那儿都相遇到一点了。

地球自转的线速度也会依据这个规律而逐渐减小。

在赤道上，经度相差15°，实际距离约相差1600千米，地球旋转线速度约为每秒钟460米；但在南北纬45°上，线速度已减小到每秒钟300米多一点儿了；在南北纬60°上时，线速度就只等于赤道上的一半；到了两极，线速度就减小到零了。

假如我们把这种经纬应用到天上去，唯一的困难就是地球的自转。

如果我们不移动，那我们就永远在某一经度上不动。但是因为地球的自转，天上任何一点的赤经都在不断地移动，尽管在我们看起来是不动的。

几乎地球上与天球上的每一个点都非常相似，地球围绕着它的轴从西往东旋转，天球就好像从东往西旋转。如果我们想象地球在天球中央，有一根公共的转轴穿过它们（如图1-17所示），我们就会更加理解它们的关系了。

如果太阳也像星辰一样固定在天球上不动，那么我们要找一颗已知赤经和赤纬的星星就容易得多。但是因为地球每年环绕太阳公转一次，所以在每晚的同一时刻，天球上的太阳的位置永不相同。

接下来，我们就来说说这种公转所产生的影响。第五节地球的周年运动及其结果

地球不仅自转，而且环绕太阳进行公转。这种现象就好像太阳在众星之中每年环绕天球旋转一周一样。

开动脑筋想象一下，我们环绕着太阳运动，并且能够看到太阳正在向我们的反方向移动，这就可以看出太阳在众星之中的运动了。当然，我们无法轻易看到这种运动，因为我们在白昼看不到星星。图1-18

如果我们能在白昼看见星星的话，就会发现它们都散布在太阳的周围。假如我们看到有一颗星星与太阳同时升起，那么在一天之中，太阳就会逐渐向东远离那颗星星。在太阳落下之前，它距离那颗星星约有自己的直径那么远。到次日早晨，我们就会看到它已离那颗星星更远了，距离约是自己直径的2倍。

图1-18表示了春分时（3月21日前后）的这种情形。

这种运动一个月一个月地持续下去，直到太阳远离这颗星星，环绕天球一圈。一年以后，太阳又与这颗星星相遇了。

太阳的周年视运动

图1-19表示地球绕日运动的轨道。

当地球在A点的时候，太阳在AM线上就对应到M点上。当地球由A移动到B点时，太阳就对应到N点了。图1-19

古人想象出一条线绕过天球，太阳每年沿着这条线环游天球一次。这条线叫作“黄道”。他们又想象出一条带子把黄道线夹在中间，并且这条带子包括了所有已知的行星和太阳，这条带子叫作“黄道带”。

这条带子分为十二个宫，每个宫包含一个星座，太阳每个月经过一个宫，全年经过十二个宫。这便是人们常说的“黄道十二宫”。

现在，我们就可以看出，我们说过的环绕全天球的两道圈是由两种绝对不同的方法来定的。天球赤道是由地球转轴的方向决定的，恰好在两个天极的正中间嵌入天球。黄道却是由地球绕太阳的运行轨迹决定的。

这两道圈虽不一致，但在相对的两点相交，约成23.5°的角，或者说约为直角的1/4。这个角便叫作“黄赤交角”。

根据我们之前介绍过的内容，不难知道两个天极是由地球转轴的方向决定的。它们不过是天上相对的两点正好和地球转轴成一条直线罢了。天球赤道就是位于两个天极正中间的大圈，这也是根据地球转轴的方向而定的。

我们假设地球的绕日轨道是水平的，把它想象成一个平盘的圆周，太阳就位于平盘的中心。地球沿着圆周运行，中心恰好在平盘上。

假如地球的自转轴是垂直的，那么它的赤道一定是水平的，并且与平盘在同一平面上。地球绕平盘旋转一周，中心始终对着太阳。

于是，在天球上，黄道也一定与天球赤道是同一个圆圈。黄赤交角（黄道倾斜角）产生的原因就是地球自转轴并不是刚才假定的垂直的，而是倾斜了23.5°。黄道对平盘的角度也是这么大，而这个倾斜就是地轴的倾斜。

与此相关，还有一个重要的事实：在地球绕太阳旋转的时候，它的轴在空间方位上是不变的。因此，地球的北极有时偏离太阳，有时偏向太阳。

如果你想象不出上面介绍的内容，请见图1-20所示，那就是刚才假想的平盘，地轴向右，北极的方向永远不变。

如果我们不明白黄道倾斜的影响，那就再打个比方好了。图1-20 地球的倾角变化范围在22.1°—24.5°之间图1-21

假设在3月21日前后的一个正午，地球停止自转，但继续公转。在未来的三个月，我们就会看到图1-22的情形。图1-22

假设我们在图中，向南天望去，会看到太阳正在子午圈上。乍一看，太阳似乎静止不动，天球赤道从东向西与地平线相交，黄道与赤道相交于春分点。

三个月之后，我们就会看到太阳慢慢地沿着黄道走向“夏至点”。那是最靠北的一点，太阳约在6月22日前后到达。

过了夏至点，让我们继续追踪太阳。

它的轨迹又使它渐渐接近天球赤道，约在9月23日（秋分点）前后经过天球赤道。剩下的半年时间依然按照这样的路线运行。

在12月22日（冬至点）前后到达离赤道最南的一点，又在3月21日（春分点）前后经过天球赤道。这些日期会因为闰年的缘故而有所不同。

在两个天极之间通过的这些点与天球赤道成直角的时圈称为“分至圈”。通过春分点的二分圈，是赤经的起点，我们在前面已经介绍过了。

与天球赤道成直角的是二至圈。

让我们再来认识一下星座与季节气候及每日时间的关系。

假设今天太阳与一颗星星同时经过子午圈，那么明天太阳就要在这颗星星的东边1°左右了。这是我们之前提到过的，也就是说这颗星星要比太阳大约早4分钟经过子午圈。

这样的情况每天都继续，一年一重合。这样一来，这颗星星每年经过天空的次数就比太阳多一次。太阳经过子午圈365次，那颗星星就要经过366次。

但南天的星星和太阳出没的次数是一样的。

四季

如果地球自转轴恰好与黄道所在的平面垂直，黄道与天球赤道重合，那么我们便不会感受到四季的变化。因为太阳永远从正东方升起，向正西方落下，全年不变。地球上的气候变化也不大。

但黄道既然倾斜了，那么太阳在赤道以北的时候（3月21日到9月23日），每天照耀北半球的时间比南半球要长，而且与地面所成的角度也大一些。图1-23 12月时季节的示意图。不论一天的什么时间，北极是极夜，而南极是极昼。太阳对北半球的光照角度更小，而且被折射得更多

在南半球上的情形则恰好相反。

所以当北半球是冬季时，南半球便是夏季，彼此的季节恰恰相反。这边是夏季，那边又是冬季了。

真运动与视运动的关系

在开始讲这部分内容之前，我们有必要先把几个名词讲清楚，这样便于小读者们对后面内容的理解。

真运动就是地球的运动，视运动就是真运动所引起的天体的视运动。真周日运动是地球绕自己的轴自转，视周日运动是因地球自转而产生的星体现象。真周年运动是地球环绕太阳的公转，视周年运动是太阳在群星之间环绕天球运动。

在每年3月21日前后，地球赤道的平面从太阳的北面移到南面去，在9月23日前后又从南面移到北面。所以我们说太阳在3月经过赤道向北移动，在9月又经过赤道向南移动。

相对于地球轨道垂直的线，地球的自转轴倾斜了23.5°，其结果便是黄道也对天球赤道倾斜了23.5°。

在夏季，地球的北半球倾向太阳，被地球带着转的北纬度地区会在旋转一次中得到太阳光，且时间有一大半，而南纬度地区得到太阳光的时间只有一小半。于是北半球炎热的夏天白昼较长，而南半球正是昼短夜长的冬季。

到了北半球过冬的时候，这种情形就反过来了。南半球倾向太阳，北半球远离太阳。南半球是昼长夜短的夏季，北半球正赶上昼短夜长的冬季。

当然，这些事实都是从相对性原理出发得到的。宇宙没有中心，所有的参照物都是相对而言的。

年与岁差图1-24

我们平时常说的年的概念是地球环绕太阳旋转一周的时间。按我们所说的，一年的长短有两种不同的度量方法。

一种是量出太阳经过同一颗恒星两次所用的时间；另一种是量出太阳经过春分点（或秋分点，即经过天球赤道）两次所用的时间。所以，如果我们认为二分点是固定在众星之间位置不变的点，那么这两种度量方法就完全相同了。

但是，古代天文学家根据数千年的观察发现，两者并不一致。

太阳以恒星为起点绕着天空一周比以春分点为起点绕天空一周要多费约20分钟。这说明，每年春分点是在众星之间不停地移动着位置，这种移动就叫作“岁差”。

假设地球一直在旋转，经过六七千年，旋转了六七千次之后，我们就会发现地球的北极不是向着我们的右方，而是转到正对我们的那边了；再过六七千年，它又转到我们的左方，而且是背对着我们；再然后就回到原来的位置上了。这个过程大概需要2.6万年。小知识：儒略历儒略历是格列高里历的前身，由罗马共和国独裁官儒略·恺撒制定的历法，在公元前46年1月1日开始使用，取代了罗马的旧历法，是一部纯粹的阳历。它以回归年为基本单位，全年分为12个月，单数月是大月，有31天；双数月是小月，有30天；只有2月例外，平年的2月是29天，闰年的2月是30天。但是随着时间的推移，产生的误差越来越大，后被格列高里历取代。

上述的两种年，一种叫作“恒星年”，另一种叫作“分至年”或“回归年”。

恒星年是太阳两次经过同一恒星所用的时间，时间为365日6小时9分。回归年是太阳两次回归二分点所用的时间，具体时间是365日5小时48分46秒。这比恒星年的实际长度少了20分14秒，因此四季便会在千百年中慢慢改变。

为了避免这一点，需要建立一个平均长度尽可能准确的年的制度。于是罗马教皇格列高里十三世（Gregory XIII）下了一道命令，在儒略历的四百年之间取消3次闰年。根据儒略历，每个世纪的最后一年必为闰年。在格列高里历中，1600年仍为闰年，可是1500、1700、1800、1900都是平年。

于是，格列高里历成了世界通行的历法，中国也使用该历法。

农历

但是在中国，除了格列高里历（俗称阳历）之外，还有盛行千百年之久的农历法。它是一种特殊的阴阳历，并不是纯粹的阴历。现在，中国老百姓安排农事、渔业、生产、节日等重要工作都会以它为依据。

农历的月按照朔望周期来定。

月相朔（日月合朔）所在日为本月初一，下次朔的日期为下月初一。因为一个朔望周期是29.53日，所以月份分为大小月。大月为30日，小月为29日。某月的“大”“小”，哪天是“朔日”，要根据太阳、月亮的真实位置来推算，古时候叫“定朔”。

农历的年以回归年为依据。农历用增加闰月的方法（置闰的基本方法要根据24节气来定）使农历年的平均长度与回归年接近，并将岁首调整到“雨水”所在的月初。

农历一年12个月，共354或355日。平均19年有7个闰月，使19年的农历年与19年的回归年基本等长。所以一般来说，中国人19岁、38岁、57岁、76岁时的阳历生日和农历生日会重合到一起。

自汉武帝太初元年（公元前104年）五月颁布太初历以来，除个别朝代对其有短期改动以外，一直都以雨水所在月份为正月，该月初一为农历岁首。第2章望远镜第一节折射望远镜

当你了解了我们的星辰系统及其运行规律，我猜你一定开始对如何使用望远镜感兴趣了。

你一定想知道究竟什么是望远镜，用望远镜又能看到什么，如果我们先弄明白这些问题，那么去天文馆使用这些仪器的时候，肯定会获得更多的知识。

众所周知，望远镜可以使我们看得更远，一件若干千米以外的东西仿佛就在几米以内。引发这种神奇现象的光学工具是一些磨得很好的透镜，这些透镜和我们的眼镜差不多，只不过更加精美罢了。

收集从物体来的光至少有两种方法：一是让光通过许多透镜；二是用凹面镜把光反射出来。我们所说的望远镜分为：折射望远镜、反射望远镜、折反射望远镜。

我们先从折射望远镜开始讲起。图2-1 法国尼斯天文台的76厘米折射镜图2-2 反射望远镜图2-3 马克苏托夫式折反射望远镜

望远镜中的透镜

一架折射望远镜中的透镜由两个系统组合而成：

一个是“物镜”——用来在望远镜的焦点上形成远处物体的像；

另一个是“目镜”——用来在人眼看得最清晰的地方形成新的像。

望远镜的难点是物镜。制造它的时间比制造其他部分加起来的时间还要多，因而要求它更加精确。

200多年前，所有国家的天文学家都相信，世界上仅有一个人可以制造这种巨大而精确的物镜，这个人就是阿尔凡·克拉克（Alvan Clark），下面我们会提到这个人。图2-4 在一架显微镜上的几个物镜图2-5 不同类型的目镜

我们常说的物镜是由两大透镜构成的，望远镜的功能完全依赖这些透镜的直径，也叫望远镜的“口径”。望远镜口径的大小不等，家用小型望远镜的口径才10厘米左右，但是叶凯士天文台大型折射望远镜的口径有1.02米。

要使远处的物体在望远镜中呈现清晰的影像，最重要的就是物镜，它一定要把该物体上所有的光都聚集到一个焦点上，否则物体就会看起来很模糊，好像从一副不合光的眼镜里看东西一样。可是，无论什么玻璃制成的单片透镜都不能把所有的光集中到同一点上。

我们平时看到的光是由不同颜色混合而成的，三棱镜会把光分散开，从红色排下去是橙、黄、绿、蓝、靛、紫。一个单片透镜会把不同颜色的光聚到不同的焦点上，红色的光离物镜最远，紫色的光离物镜最近。这种光线的分散叫作“色散”。图2-6 光的色散

300年前，天文学家都认为世界上没有任何办法能够避免这种色散。

约在1750年，伦敦的多龙德想出了一个办法：利用两种不同的玻璃，冕牌玻璃和火石玻璃。这种方法的原理十分简单，冕牌玻璃的

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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