作者：宫健,李轻舟,刘睿哲
出版社：人民邮电出版社
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天文观测完全手册试读：
前言
物含妙理，天行有常。
18世纪的德国哲学家伊曼努尔·康德曾在《实践理性批判》一书中写下：“世界上只有两件事物值得我们与日俱增的永恒敬畏：一个是我们头顶的灿烂星空，另一个是我们心中的道德律令。”
天文观测是一个古老的命题。扎根于观测的天文学是一个蓬勃发展的事业，它既是一个前沿的科研领域，也是一个重要的科普阵地。从哥白尼、伽利略到现代的伽莫夫、霍金，天文学观测与认识的重大进步伴随着面向公众的传播普及，不断变革着我们的世界观，成为历次科学革命的先导。另一方面，积极的科技文化日益渗透到社会生活的方方面面，越来越多的朋友加入到天文观测活动中来，成为天文爱好者或业余天文学家的一员。他们遍布五湖四海，充满活力，其社团也已成为天文学专业人才的预备队，极大地活跃着天文学文化，对科学与社会的进步起重要的意义。
本书正是一部关于天文观测与天文摄影的实践指南。为适应业余天文观测的需要，在兼顾读者不同知识背景的基础上，本书以观测为主线，点缀相应科学文化背景，略去天文学或专业天文观测的理论体系，对观测中所需的数学、物理知识作简要交代，把重点放在介绍实际的天文观测经验和天文摄影技巧。除了介绍天文观测所需的装备、观测流程、四季星空的星座观测、天文摄影的装备及拍摄技巧等知识，让天文爱好者掌握全面实用的观测入门知识和天文摄影技巧外，还特意通过10个典型的天象观测案例，为读者提供从基础到实战、从入门到精通的观测实践指导。
本书分为5个章节。
第一章
“以镜观天四百年
”从伽利略发明天文望远镜引入，讲述了观测对天文学的重要意义与天文观测的历史发展，简要介绍了天文研究的前辈和探索者。第二章“
准备好了吗？
”为读者扼要介绍了业余天文观测所需最基本的理论知识，包括最简单的肉眼观测、天文望远镜等装备基本原理以及业余天文观测的一般流程，并为广大天文爱好者推荐了我国服务于天文科普的公共天文台资源。第三章“四季星空观测指南”结合适用于天文爱好者的电子星图与实用天文软件介绍天区与星座的辨识。
第四章“带上你的相机，出发！——天文摄影入门”为有条件的天文爱好者介绍天文摄影的入门知识。除了必要装备、摄影流程、相片处理与分享外，还专门介绍了可用于业余天文摄影数码相机的经典机型与最新机型供不同需要的读者选择。
第五章“天象观测指南”为读者选择了易于操作的一系列天象观测，结合科学文化与科学史资料，着重介绍相应天文学知识背景、实际观测经验与注意事项。
除此之外，书末的附录、主要参考文献与推荐阅读，还为天文爱好者提供了进行观测所需的数据查阅，以满足爱好者更深入了解天文知识的需求。
在本书编写过程中，作者力求引经据典、文理结合、图文并茂、数据实用，使本书既是一本帮助读者掌握从入门到精通的天文观测与天文摄影的实用手册，也是一本关于天文观测的科学史，最终能更好地服务于天文爱好者。
本书的写作得到许多热心科普的老师关心，特别是北京师范大学李小文院士、中国科学技术信息研究所武夷山老师、中科院高能物理研究所邢志忠老师、中科院成都山地灾害与环境研究所李泳老师、潍坊学院王春艳老师和哈尔滨师范大学史晓雷老师的帮助与支持，作者在此表示衷心感谢。
限于掌握的资料，本书难免有不足之处，欢迎广大读者批评指正。宫健2014年11月1日第一章以镜观天四百年
NGC 4414
图片来源：NASA
遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？
冥昭瞢暗，谁能极之？冯翼惟像，何以识之？
明明暗暗，惟时何为？阴阳三合，何本何化？
圜则九重，孰营度之？惟兹何功，孰初作之？
斡维焉系，天极焉加？八柱何当，东南何亏？
九天之际，安放安属？隅隈多有，谁知其数？
天何所沓？十二焉分？日月安属？列星安陈？
......——摘自屈原《天问》
距今2000多年的先秦时代，伟大的浪漫主义诗人屈原面对璀璨星河、浩渺苍穹，不禁行吟发问：洪荒景象，谁将它流传至今？天地未成，又从何处推演？浑沌不分，谁能探求根本？大气无形，如何将它认清？日夜更替，为何如此分明？阴阳参合，何为本源何为化生？天盖九重，谁来运行量度？如此浩大，最初由谁营建？天体轴绳系在何处？不动天极又在哪里？八柱如何撑天？地势为何倾向东南？九天边际，如何安放联通？天际隅角，谁能知其数量？天地在何处会合？黄道如何一分十二？日月如何高悬？众星如何陈列？……
天问，人类最古老的问题。我们一直在追寻答案的路上……图1-1 屈子行吟图（明）陈洪绶绘
一、引子：伽利略的望远镜
公元1609年，夏日的一个夜晚，意大利的帕多瓦（Padova）。
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伽利略被誉为“近代科学之父”，他开创了自然科学（特别是物理学）实验（观测）探究与数理分析的传统。图1-2 伽利略肖像（Justus Sus termans绘）
帕多瓦大学的数学教授伽利略·伽利雷（Galileo Galilei，1564～1642）感到莫名的兴奋，他迫不及待地将手中的“长筒”指向夜空……
无数恒星组成的银河
月球表面的山脉与平原
太阳的黑子
木星的四个卫星
土星的光环
金星的阴晴圆缺
……
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2009国际天文年官方网站
www.astronomy2009.org
中国大陆地区官方网站
www.astronomy2009.org.cn图1-3 伽利略观测木星卫星的手稿
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林琴科学院1603年成立于罗马，因所用徽章上有猞猁标志（取猞猁眼光敏锐之意），又称猞猁科学院或山猫科学院，是意大利科学院和梵蒂冈教皇科学院的前身。图1-4 林琴科学院徽章
1611年，在伽利略荣任林琴科学院（Academia Linceorum）院士的宴会上，希腊数学家乔尼亚·德米亚尼（Giovanni Demisiani） 根 据希腊语词根“tele”（意为“远”）和“skopein”（意为“观察”）把这个古怪“长筒”命名为“望远镜”（拉丁文teleskopein，即英文telescope）。
晚宴上踌躇满志的伽利略也许还不知道，自己此后半生的坎坷与身后的千古荣耀将与这台望远镜密不可分。1609年夏日的那个夜晚，他向浩渺星空不经意的远望已经为人类的科学与文明悄悄开启了一个波澜壮阔的时代……
2007年，为了纪念伽利略400年前将望远镜用于天文观测的开拓性创举，经联合国教科文组织与国际天文学联合会（International Astronomical Union，IAU）的努力，联合国大会宣布：公元2009年为国际天文年（International Year of Astronomy 2009，IYA2009）。
2008年，IAU向全球发布了天文年主题曲《巨人肩上》（Shoulders of Giants）。亲爱的读者，让我们伴随着美妙的歌曲开启奇妙的天文观测之旅……
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词曲作者Padi Boyd女士为美国国家宇航局（NASA）高能天体物理实验室科学家。
本汉译发表于《科学与文化》2009年第7期。蒙译者哈尔滨师范大学史晓雷老师惠允，供读者赏析。图1-5 2009国际天文年官方logo
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Shoulders of Giants 官方下载地址：
http://www.astroca ppella.com/songs/Shoulders OfGiants.mp3
Shoulders of Giants
巨人肩上
作曲、填词：Padi Boyd
演唱：AstroCappella
翻译：史晓雷
It was a calm and cloudless night but it was all still a blur
那是一个无风晴朗的夜晚
A shaking of our Universe was just about to occur
我们对宇宙的懵懂认识从此地覆天翻
It was Summertime... 1609
1609年那个夏天
when Galileo used his telescope for the very first time
当伽利略第一次用他的望远镜投向夜空
and he saw mountains and craters on the moon
他看到了月球上的环形山
and a Milky Way with thousands of stars
银河的繁星数万千
and he saw Jupiter, with four tiny moons
四颗卫星绕着木星旋
he was the only man on Earth that night who knew
那夜只有他明白
That Copernicus was right
哥白尼的理论无可争辩
come outside with me tonight
今晚和我一起来吧
and I can show you wonders of the world
让我带你看世界的奇观
to surprise and delight
令人欣喜令人惊叹
I've got my telescope with me
我已带上了望远镜
just wait until you see
只等你来看
that on the Shoulders of Giants....
站在巨人之肩
... we'll see beyond!
我们将看得更辽远
The world turns round and round now around 400 years have flown
自从伽利略开拓鸿蒙
since Galileo's telescope first focused the unknown
光阴过去了400年
Now we use bigger glass to peer into the past
如今我们用更大的透镜洞察过去的机玄
And we're discovering the Universe's secrets at last
宇宙的奥秘正在逐渐显现
And there are geysers on Saturn's icy moon
在土星冰封的卫星上竟然存在间歇泉
and planets circling hundreds of stars
众行星围绕数以百计的恒星运转
while all the Universe expands like a balloon
回望伽利略的视域我们已经走得很远
from Galileo's tiny scope we've come so far
整个宇宙像吹气球一样不停地向外扩展
Galileo was right
伽利略是对的
when he looked out in the night
当他仰望星空
and he discovered wonders of the world
发现了宇宙的壮观
to surprise and delight
令人欣喜令人惊叹
I've got my telescope with me
我已带上了望远镜
just wait until you see
就等你来看
we'll stand on the Shoulders of Giants...
我们将站在巨人之肩
And every step follows the one before
沿着先贤的足迹
and opens up a new frontier to explore
开拓向前
our scopes are dancing in space to see the beauty and grace
为了目睹美丽和优雅镜头的视野在天空舞旋
Oh, Galileo would approve, that's for sure
哦伽利略无疑会赞成
And still for me and you we can join in on this too
让我们一起来吧
Just climb up here with me where we'll see more
和我一起站在巨人之肩
It's a calm and cloudless night come outside with me tonight
今晚无风晴朗 跟我一起来吧
and I can show you wonders of the world to surprise and delight
让我带你看宇宙的奇观令人欣喜令人惊叹
I've got my telescope with me just wait until you see （oh, wait until you see）
我带上了望远镜只等你来看（哦只等你来看）
we'll stand on the Shoulders of Giants （Galileo knew）
我们将站在巨人之肩（伽利略知道）
That Copernicus was right （Johannes）
哥白尼是对的
Come outside with me tonight （Kepler found those）
今晚和我一起来吧（约翰·开普勒站在巨人之肩，发现了行星的运动井然）
and I can show you wonders of the world（planetary motions on the）
我将展现给你宇宙的奇观（牛顿站在巨人之肩，阐释了宇宙的普遍律典）
to surprise and delight （Shoulders of Giants）
令人欣喜令人惊叹
I've got my telescope with me （And Isaac）
我已带上了望远镜
Just wait until you see （ found his）
只等你来看
we'll stand on the Shoulders of Giants （Universal Laws）
我们将站在巨人之肩（He stood on the Shoulders of Giants...）
...to see beyond!
看得更辽远
二、一切从观测出发
作为基础科学之一，天文学是一门古老的学问。它的视野是我们所处的整个宇宙，它的研究对象是广袤空间中的天体。宇宙中的天体可以释放各种辐射，诸如可见光、红外线、紫外线、无线电、高能射线等，这些不同波段的辐射携带来自天体的丰富信息。数千年来，我们主要通过接收这些辐射，来判定天体的存在，测量它们的位置与运行，探究它们的组成与结构，分析它们的演化规律。
除了纯粹的理论推演（借助计算机模拟），基础科学获取信息的研究手段主要有两种：其一是可对研究对象进行主动的、可重复操作的实验；其二是对研究对象进行被动的、干涉较小的观测。第一种方法常见于物理学、化学、材料学、生物学及其相关领域，它的前提是研究对象都在人工可控的范围内，比如我们可以在实验室里布置光学元件、配制化学溶液，解剖青蛙等。第二种方法常见于天文学、地球科学、环境科学及其相关领域，除了一些辅助的实验模拟手段（比如在实验室里利用人造设备模拟日食、地震等），主要研究手段仍然是对自然现象本身的观测，因为这些研究对象一般是人力所不能及的，而单纯的实验室模拟（无论借助计算机的理论模拟，还是实验室里依靠人造设备的模拟），往往不能全面反映研究对象的信息。图1-6 工作中的天文望远镜，拉士拉天文台（La Silla Observatory）图1-7 美国天文学家罗威尔（P.Lowell）在观测金星，罗威尔天文台（Lowell Observatory）1914
天文学的研究对象，分布在广袤浩瀚的空间，生灭于源远流长的时间，其数量好比“恒河之沙”。故而观测，或者说主要依赖观测，成为了天文学研究方法的基本特点。革新固有的观测手段，发明新的观测手段，也就成为天文学一个极其重要的课题。天文观测手段的进步有助于我们获取更丰富的宇宙信息，促进人类的视野向空间和时间的深处推进。
先秦时期儒家学者荀子曾说：
故不登高山，不知天之高也；不临深溪，不知地之厚也。——《荀子·劝学》
在我们所能观测到的宇宙中，有数以亿兆的星辰。那些百万岁的天体，只够得上年轻人的标准，就算“燃烧”了50亿年的太阳，也不过中年。人类所在的地球，只是宇宙的天地蜉蝣、沧海一粟；我们观测到天体现象，不过是它漫长生涯的一个刹那。但就天文学观测而言，这一刹那却可以蕴含上百亿年的信息。
先秦时期道家学者庄子说过：
吾生也有涯，而知也无涯。以有涯随无涯，殆已！已而为知者，殆而已矣！——《庄子·内篇·养生主》
一位观测者的寿命不过匆匆几十年，整个人类文明史（也是天文观测史）也不过几千年。我们无法看得更久，却可以看得更多。我们无法在数亿年的时间尺度上考察一个天体从创生到“死亡”的演化历程，但是可以在广阔的视野中观测数以亿计的不同天体。这就好像，除了自己以外，我们很难完整追踪一个人从出生到走向坟墓的全过程，却可以观察不同的婴儿、幼童、少年、青年、中年、老年来获取人类在不同年龄段的特征，进而了解演化的规律。对宇宙中的天体而言，我们根据基本的物理或化学规律（它们在整个宇宙中都适用）可以将天体的理化特征与它所处的演化阶段或者说“年龄”对应起来，由它的特征反映它的“年龄”，并可以对它的“结局”做理论上的推测。另一方面，天体的辐射在宇宙空间（近乎于“真空”）中按确定的光速行进，天体距离我们越远，辐射信息传递到观测者位置所需要的时间越长。譬如一颗距离我们10亿光年的天体发出的可见光（其他波段同理）要经过10亿年时间才能到达地球观测者处，那么观测者肉眼看到的这颗天体实际上是观测者接收到这束光的时刻回溯十亿年前的样子。也就是说，我们看得越远，就看得越早。我们在宇宙中观测到不同的位置，反映了宇宙不同年龄的状态，今日观测所及宇宙之最深处，正是宇宙年轻时的模样。
天文学家通过观测积累起来的数据或信息，建立关于天体乃至整个宇宙的理论模型。这些不同的理论模型帮助我们进一步拓宽视野，获取未知的信息，而新的信息又可以修正固有的理论模型或衍生出新的理论模型……我们对宇宙特别是自身在宇宙中位置的认识就这样随着观测视野的开拓不断深入。
三、天文观测的发展
首先是天文学—仅为了确定季节，游牧和农耕民族就绝对需要它。——恩格斯《自然辩证法》
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哥白尼的日心体系与托勒密的地心体系采用了相同的数学模型，在编算星表方面并不具备明显优势，在《天体运行论》出版发行的70多年间，并没有引起足够的重视，直到1616年才因为违背天主教教义而被罗马教廷列为禁书。经过后世第谷·布拉赫、开普勒、伽利略、牛顿等更深入的研究，哥白尼的日心体系逐步取代托勒密地心体系为大家所接受。图1-8 哥白尼肖像（1580）图1-9 《天体运行论》纽伦堡出版（1543）
古代天文学家观测太阳、月亮、星辰在天空中的位置，追踪它们位置随时间的变化，总结规律，一方面具有超自然的宗教活动意义，即对自然现象背后“神”之意志的探索；另一方面在技术上为农牧业具体生产服务，即确定时间、节气和历法。人类在这个探索过程中，率先建立起天文学第一个重要分支 天体测量学。
由于学科分化并不成熟，这一阶段的天文观测杂糅了地理、水利、气象等诸多领域，主要服务于“授时”和“编历”，即时间服务和历书编算。古巴比伦、古埃及、古印度、古希腊、阿拉伯以及美洲的玛雅文明在天文观测上都有丰硕的成果，这些成果主要表现在历法方面。
在16世纪以前，古代中国的天象观测已经达到了非常高的精确度。历代帝王与政府出于神权道统和农耕生产的需要，对天象观测以及现象的解释都十分重视。在国家与社会运转中，天文观测被提升到“军国大事”的层面，由政府垄断，严禁民间私习天文。诸如西汉的落下闳、东汉的张衡、南北朝的祖冲之、唐朝的僧一行、元朝的郭守敬等，均为古代中国杰出的天文学家。根据史料记载，他们可以设计精巧的观测仪器，通过对恒星的精密观测，不断修正改进历法，并且形成了对宇宙构造及运转机制的丰富认识。
在西方，从古希腊到中世纪，天文学家主要研究行星在天空中的运动，观测行星的位置并分析行星运动的规律，在发达的几何学基础上结合观测数据建立宇宙的数学模型。最重要的成就体现在亚里士多德—托勒密地心模型和阿里斯塔克—哥白尼日心模型。在这段漫长的历史时期中，由于观测条件的限制，太阳系被认为是宇宙的同义词。直到公元1543年，波兰天文学家尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus, 1473～1543） 仍 然在他的著作《天体运行论》（On the Revolutions of the Heavenly Spheres）中坚持：太阳是整个宇宙的中心！——天文观测后来的发展促使我们意识到：太阳只是太阳系的中心，而太阳系只是宇宙中的“沧海一粟”。图1-10 火星
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火星（Mars，古罗马神话战神马尔斯）公转轨道距离太阳最近时有2.065亿千米，最远时有2.491亿千米。公转周期约为687天，接近地球上的两年。它的赤道半径约为3395千米，体积不到地球的1/6，质量仅为地球的1/10。火星还有两个卫星，即火卫一和火卫二。
在地心模型和日心模型的基础上，丹麦天文学家第谷·布拉赫进行了更为精密的观测与星表编算。第谷·布拉赫的助手德国天文学家开普勒（Johannes Kepler，1571～1630）继承了他的工作，利用这些精确数据最终建立了刻画行星运动的开普勒三定律，为日心模型提供了数学依据。在天文观测的意义上，开普勒三定律的一个重要成果是成功地解释了火星运动，修正了前人方法带来的误差。火星运动有一个显著的逆行现象，这在历史上曾经让天文学家十分疑惑。根据开普勒三定律，这是行星沿椭圆轨道运动的结果：火星逆行并不表示火星真的倒退，而是由于火星和地球一起绕着太阳运行，当火星运行的轨道方向与地球不同时，在地球上观看火星，就会产生火星在倒退行进的视觉效果。
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开普勒在第谷·布拉赫天体观测数据的基础上推演出了开普勒行星运动三定律。
第一定律：行星绕恒星公转的轨道是一个椭圆，恒星位于椭圆的一个焦点。
第二定律：从恒星指向行星的矢径在相同时间扫过的面积相等。
第三定律：行星公转周期的平方与椭圆轨道半长轴的立方成正比。
开普勒运用行星运动三定律成功解释了火星的“诡异”运动。图1-11 开普勒肖像（1610）
17世纪以前，天文学家只能依靠肉眼直接观测天象，目力所及不过六七千颗天体。伽利略发明天文望远镜后，天文观测的视野得到极大扩展。光学技术的发展，使得天文望远镜的口径逐步扩大，观测到的天体从太阳系、银河系一直到广袤的河外星系。
伽利略、牛顿在天文观测丰富成果的基础上建立了近代科学特别是经典物理学的研究范式。牛顿将地球上物体运动与天体运动的力学现象统一起来，建立且验证了牛顿力学三定律和万有引力定律。
法国天文学家拉普拉斯在牛顿力学体系基础上正式创立了天文学一个新的分支——天体力学。天体力学的确立，表明天文学从单纯描述天体的空间位置、运动周期等几何关系（体现在星表和历法中），进入到了探究天体间相互作用的阶段。天文学家从单纯研究天体的运动情况，进入到研究天体运动的动力学原因。图1-12 牛顿与他的望远镜
牛顿体系建立以后的200年中，天体力学推动了应用数学的进步，催生了微积分和数学物理方法，它们已经是天文学乃至现代科学必不可少的基本分析工具。
这一时期天文观测的主要成就是相继发现了天王星、海王星和冥王星。图1-13 天王星
天王星是（Uranus，古希腊神话天空之神乌拉诺斯）第一颗人类用望远镜发现的行星，它的存在是 F.W. 赫歇耳（F. W. Herschel,1738～1822）于1781年确证的。图1-14 F.W.赫歇耳肖像
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天王星距离太阳19.3天文单位（Astronomical Unit，AU），十分遥远，所以无法用肉眼观测。它的公转周期为84年。其赤道半径约为25900千米，体积约等于地球体积的65倍，在八大行星中仅次于木星和土星。它的质量排在木星、土星和海王星之后，位列行星家族第四。与土星类似，天王星除了有27颗卫星外，还有一层很薄的光环。
一个天文单位约等于地球到太阳的平均距离，即：1AU=1.496×810 km
F.W.赫谢耳既是一位天文学家，也是一位古典主义作曲家。他的妹妹C.L.赫歇耳、儿子J.F.W.赫歇耳都是当时杰出的天文学家。
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海王星的公转轨道半径约为30AU，公转周期为165年。它的直径为49400千米，是地球的3.88倍，体积约为地球的57倍，质量为地球的17倍。海王星有13颗卫星和5条光环。图1-15 海王星
海王星（Neptune，古罗马神话海神尼普顿）的发现要归功于牛顿万有引力定律，它是第一个人类通过物理和数学的计算确证的行星。天王星被确证后，人们利用万有引力定律计算的天王星轨道总是与观测到的实际轨道存在偏差。1845年，英国剑桥大学的J.C.亚当斯（J. C. Adams，1819～1892）经过缜密计算，率先提出这种偏差来自于天王星轨道外的一颗尚未被发现的行星。天王星实际轨道受这个未知行星引力的影响，稍微偏离了理论计算轨道，这种现象称为引力摄动。稍后的1846年，法国天文学家U.L. 勒维耶（U. Le Verrier, 1811～1877）也独立地得出这个结论。当年秋天，德国天文学家J.G.伽勒（J.G.Galle，1812～1910）在勒维耶计算结果预言的方位附近找到了这颗新行星，即海王星。
冥王星（Pluto，古罗马神话冥界之神普鲁托）的发现与海王星如出一辙，它被最终确证是在1930年。
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冥王星的轨道半长径约为39.84AU，其椭圆轨道比八大行星都要扁，公转周期约为248.6年。它的直径约为2300千米，质量为地球的0.24%。冥王星在历史上也被视为太阳系行星序列的一员。但随着天文观测的进一步发展，国际天文联合会于2006年作出决议，将冥王星降级为“矮行星”。冥王星共有5个卫星，其中冥卫一（卡戎，Charon）是导致冥王星“降级”的重要因素之一。因为冥王星与卡戎的质量相当，冥王星对卡戎的万有引力不足以令卡戎绕冥王星沿稳定轨道运行，二者形成了一个在相互万有引力作用下的双星系统（物理双星），即二者围绕它们质量中心连线上的一个公共中心旋转（与月球绕地球旋转的情况相区别）。冥王星被降级矮行星后，卡戎也成为了候选的矮行星之一。图1-16 冥王星的发现者汤博（C.Tombaugh）图1-17 用来确证冥王星的天文摄影照片图1-18 冥王星与卡戎、冥卫二、冥卫三艺术想象图
19世纪中叶以来，随着物理学（光学、热学、电磁学）的发展，天文观测主要手段进入测光和光谱分析阶段。基于测光和光谱分析两种天文观测手段的天文新分支被称为天体物理学。
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测光即测定天体的亮度，它可以辅助我们获得天体距离的信息。光谱分析可以帮助我们确定天体的化学元素组成、视向速度、自转，以及恒星的大气温度、湍流速度、压力、磁场。
19世纪末到20世纪初，在物理学基础领域，狭义与广义相对论、量子论与量子力学、原子核物理学、粒子或高能物理学相继建立。一方面，天体与宇宙成为了物理学新理论体系的“天然实验室”。另一方面，这些新理论又为天文学或天文观测提出新的要求，提供了新的理论分析工具。借助新的理论工具，天文观测提供了关于天体化学组成、物理性质、运动状态和演化阶段更丰富的数据与信息。观测的视野从天体向更大尺度的宇宙结构扩展。
20世纪30年代以来，天文观测除了依靠口径越来越大的光学望远镜，还进一步拓展到了射电与空间探测领域，建立了射电天文学和空间天文学。受地球大气层影响，在地球表面只能进行无线电、可见光和近红外波段的天文观测。第二次世界大战后，航天技术的突飞猛进，使得我们有能力将大型光学望远镜等各辐射波段探测仪器送上地球空间轨道，实现大气层外的天文观测。我们获取天体辐射扩展到整个电磁波段：除了传统观测的可见光波段，还囊括微波、红外线、紫外线、无线电、X射线和γ射线。
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宇航技术的发展，使我们可以向宇宙空间发射探测器，对太阳系内天体的近距离观测、着陆拍照与标本采集，甚至在载人登陆，直至建立探测基地……
天文观测手段的革新，不断丰富和加深我们对宇宙的认识。除了我们熟知的恒星、行星、小行星、彗星、流星等的运动与相互作用规律，在对太阳的光谱分析中发现了化学元素氦（He），对星云光谱分析为原子禁线理论提供了依据，而原子核物理学中的热核聚变概念来自于对太阳和其他恒星内部结构的研究，元素合成理论来自于恒星演化的理论模型。天体家族也得到扩充，天文学家通过射电天文学和空间天文学的观测手段，相继发现反映恒星形成与演化阶段的红外源、分子源、天体微波激射源、脉冲星、X射线源、γ射线源，还有星际分子、类星体、射电星系、活动星系核……
也许可以这样说：只要人类还在追寻“天问”的路上，天文观测就不会止步，人类的视野就会向空间和时间的深处挺进。
第二章
准备好了吗？NGC 891
图片来源：NASA
按理论和实验的研究方法划分标准，天文学可以分为天体测量学、天体力学和天体物理学三个主要分支。按观测手段划分标准，天文学又可以分为光学天文实测手段、射电天文学、空间天文学三个主要部分。其中光学天文实测手段或称光学天文学，几乎可以等价于传统意义上的天文学。
对广大天文爱好者或业余天文学家来说，射电和空间观测手段对专业素质与设备要求过高，相较而言，传统的光学实测手段成本可控且简单易行。故本书主要介绍面向天文观测或摄影爱好者的光学观测手段，主要包括可见光波段的肉眼观测与小型光学望远镜、照相机的观测。
一、肉眼观测与技巧
通常提及“天文观测”四个字时，大家往往会在眼前浮现出一架天文望远镜指向浩瀚深邃的星空，亦或是一个在夜幕天穹下打开的天文台球顶。
事实上对于所有想要开始接触天文观测的人来说，“肉眼观测”是最基本的天文观测技能。这里所讲到的“肉眼观测”是指：观测者不借助望远镜或照相机等仪器，而直接通过自己的双眼对星空进行观测的行为。
进行肉眼观测有助于天文观测者建立对于夜空的基本概念：例如天球、星座、行星、黄道等，对这些概念的明晰有助于日后使用器材进行更专业的天文观测。
天文爱好者在进行肉眼观测时，可作如下尝试。（1）目测星等，估计目标天体亮度；（2）辨别北极星，估计天体的高度角与方位角，估计天赤道、黄道在天空中的位置。
常规观测时，可关注太阳系内行星的位置与其他恒星的颜色。在天气条件允许的情况下，可尝试用肉眼观测木星的卫星。
星等
在1609年伽利略第一次通过望远镜观测繁星之前，古代的天文学家们一直使用肉眼对天空进行观测。根据天上星体亮度的不同，古希腊天文学家希帕恰斯（Hipparkhos，公元前190～公元前120）制定了“视星等”的概念：他把自己编制的星表中的1022颗恒星按照亮度划分为6个等级，即1等星到6等星。1850年英国天文学家N.R.普森（N. R. Pogson，1829～1891）发现 1 等星要比6等星亮100倍。根据这个关系，“星等”的概念被量化。重新定义后的星等，上一等星亮度约为下一等星亮度的2.512倍。
很快，天文学家们发现1到6级星等已经不能描述当时发现的所有天体的亮度，于是天文学家延伸了本来的星等划分，引入“负星等”的概念和更精细的星等划分，这样的整个视星等体系一直沿用至今。如牛郎星为0.77等，织女星为0.03等，除了太阳之外，最亮的恒星天狼星为-1.45等，太阳为-26.7等，满月为-12.8等，金星最亮时为-4.89等。现在地面上最大的望远镜可以观测到24等星，而哈勃空间望远镜则可以观测到30等的暗弱天体（每过一分钟哈勃望远镜才能接收到来自该天体的一个光子）。表2-1 一些天体的目视星等续表续表
视星等是人们从地球上观察星体亮度的度量，而不同恒星与地球的距离不同，所以视星等并不能表示出恒星本身的发光强度。严格地说，古希腊天文学家希帕恰斯并不知道“视星等”的概念。读到这里，你也许会有一个疑问：既然距离会对天体的视星等产生很大的影响，有没有另一个星等的概念在不考虑距离的前提下去表达天体的真实亮度呢？
现在的天文学规定了“绝对星等”的概念：绝对星等是指把天体放在指定的距离时（10秒差距）天体所呈现出的视星等。此方法可在不受距离的影响下，对天体的光度作出客观的比较。
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秒差距（parsec，pc）是天文学上的一个距离单位。
1pc=3.086×1013 km表2-2 一些天体的绝对星等与目视星等的比较
北极星的辨别
为政以德，譬如北辰，居其所，而众星拱之。——摘自《论语·为政》
北极星（古称北辰）指的是最靠近北天极的恒星，现在的北极星指的是小熊座α星（Polaris，勾陈一，它还有一个非常靠近的矮伴星Polaris Ab）。由于岁差的存在，地球北天极并不是恒定不变的。在大约14000年以后，天琴座的织女星将成为最靠近北天极的恒星，也就变成了那个时候地球的“北极星”。下文中的“北极星”如无特别说明均指小熊座α星。
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岁差是指天体的自转轴由于引力作用而在空间中缓慢且连续地变化现象。地球的地轴由于有岁差的存在，所以其指的北天极方向会发生变化。图2-1 哈勃望远镜中的北极星
现在的北极星是一颗亮度大约为2等的变星，在夜空中并不是特别起眼。过去5000年内分别担当北极星的右枢（公元前2800年左右，天龙座α星，3.65等）、北极二（公元前1100年左右，小熊座β星，2.1等）以及目前的北极星勾陈一，在数千年来的华夏文明中，却受到了非比寻常的重视，例如，公元前2263年五帝时代的北极星称为“太乙”，公元前1097年周公时代的北极星称为“帝”。这是由于它们看起来在天空中几乎固定不动，被众星拥护绕行，故被视为群星之主。
既然北极星在天空中并不显眼，那么如何找到北极星呢？
对于北半球而言，可以认为北极星就是在正北方向，找到了正北方向也就明确了北极星大约所在的位置。而北极星的高度与观测者所在地的纬度一致。
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在中国古代，北极星被认为处于紫微垣的中央，是帝王的象征，紫微垣被看作帝王的禁宫居所。所以明清两代把京师的皇城称为紫禁城。
方位角与高度角图2-2 方位角示意图图2-3 高度角示意图
日常生活中人们在表述方向时最常用到东、南、西、北4个方向，以及派生出的4个方向（东北、东南、西南、西北）。还有东北偏北、西南偏南等表述方向的方式。但是用这种方式并不能精确地表述出方向，尤其是需要被表述方向的物体看上去很小（例如地球上肉眼可见的天体），这时人们便发明了“方位角”的概念。方位角又称地平经度（Azimuth Angle，Az）。具体来讲，便是正北（N）方向（北极星所在方向）记为0°，正东方（E）向记为90°，正南（S）方向记为180°，正西（W）方向为270°，在这些方向之间可以有无数多个方位角。这样一来，相对与观测者，任何被观测的物体均可以通过方位角精确地表述出方向。例如2014年6月18日22时40分，在西安市观测到牛郎星的方位角为98°43′。
在天文观测中，仅仅知道被观测天体的方位角是不够的，因为任何一个方位角表示的是天球上从天顶连接到地平线上的一条直线（四分之一圆周）。此时我们还需要知道被观测天体的高度角。相对于观测者，被观测天体视线与地平面之间的夹角即为该天体的高度角；地平面记为0°，天顶记为+90°。有了高度角和方位角，我们便能精确地表述出任何一个天体相对与观测者的具体位置。
天赤道与赤经赤纬
细心的读者可能会想到一个问题，对于任何一个天体，在不同位置不同时刻，观测者所观察到的方位角和高度角都是不同的。这样一来，不同位置的观测者若想要表示出同一个天体的位置，还需要考虑到时间和所在地，就显得十分麻烦。
通过天赤道定义出的赤道坐标系，很好地解决了这个问题。天赤道是指将地球的赤道平面假想地延伸至与天球平面相交，得到的一条虚拟的相交线。赤纬为一系列平行于天赤道的小圆，天赤道的赤纬为0°，而地球自转轴延伸至天球上的点，即北天极和南天极，为赤纬±90°（北为“+”，南为“-”）。赤经的零点为春分点，赤经自西向东量度。春分点为每年三月下旬春分日时，太阳运行到天赤道上时的点，也就是黄道与天赤道的升交点。一般赤经用时分秒来表示，1h=15°，1m=15′，1s=15″。赤经赤纬相对于天球是固定的，因而在不考虑恒星位置出现变化的情况下，各颗恒星的赤经赤纬是固定的值。例如，牛郎星所在的位置为赤经19h51m29s，赤纬+8°54′26″。可以简要地说，赤经赤纬表述的是天体在天球上的位置，与观测者所在地的位置和时间没有关系。
黄道
地球围绕太阳公转一周，在地球上看来太阳在天球上运动过的轨迹叫做黄道。黄道与天赤道的夹角为23°26′，交点分别在双鱼座（春分点，升交点）和室女座（秋分点，降交点）。图2-4 黄道与天赤道示意图
作者：Dna-webmaster
由于太阳具有耀眼的光芒，人们通常看不到太阳在天球上的准确位置，因而白天常常难以自行判断黄道的位置。夜晚由于没有太阳，黄道的准确位置也较难判断。然而除地球外的六大行星（金星、火星、木星、土星、天王星、海王星）通常只会出现在黄道附近（水星偏离黄道较多），因而了解黄道对于行星的观测具有较重要意义。
黄道穿过了13个星座（除了大家熟知的黄道十二星座之外还有蛇夫座）。但是对于刚接触天文观测的新手来说，想要记得黄道是如何穿过这13个星座是比较困难的，因此笔者推荐大家使用星图或者电子星图来寻找黄道。
还有一个较为简单判断黄道在天空中位置的方法——通过月面来判断。在能看到月面时，月面对称轴的方向大约即为黄道的方向。此种方法仅适用于月相不是“望”（满月）时，因为满月时很难判断月面的对称轴指向哪里。
既然黄道相对于天球也是固定的，那么有没有根据黄道定义出的坐标来表述天体的位置呢？
答案是肯定的。根据黄道面作为基准平面定义出的坐标系叫做黄道坐标系，一般用于研究和表述太阳系内天体的位置。用黄道坐标系表述太阳系内天体的位置时，可以直观地看到天体相对于整个太阳系的位置。黄道坐标系的南北极分别称为“南黄极”（剑鱼座）和“北黄极”（天龙座）。在黄道上与黄道平行的小圆称黄纬，由黄道面向北黄极方向为正值（0°～ 90°），向南黄极方向则为负值。垂直黄道的经度称黄经，由春分点起由西向东量度（0°～ 360°）。像赤道坐标系中的赤经一样，以春分点作为黄经的起点。
由于地轴有进动现象，因此坐标系的两个黄极会随着岁差影响而使得坐标值出现移动。在精确度要求较高的场合下还需要考虑坐标系的历元，甚至以当天瞬时的黄极点坐标来计算。
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一个自转的物体受外力作用导致其自转轴绕某一中心旋转，这种现象称为进动，也叫旋进。
行星的位置
在进行肉眼观测时，除了对恒星以及星座的辨识以外，对行星的观测也是非常有意思的。如前文所讲，行星通常只出现在黄道附近，而且行星在天球上是不断运动的。一般的肉眼观测只能看到地内行星水星、金星以及地外行星火星、木星和土星。
由于地球轨道位于地内行星之外，因此地内行星最佳观测的时机为“大距”，即在地球上看来地内行星距离太阳的距离最远。大距分为“东大距”和“西大距”，东大距时地内行星晚于黄昏太阳落入西方地平线之下；而西大距时地内行星早于清晨太阳从东方地平线升起。
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