天文动手做-观测活动（10）观察北方天空恒星的视运动

2017-11-01文图中国科学院国家天文台郭红锋

军事文摘 2017年22期

◎文图中国科学院国家天文台郭红锋

◎文图中国科学院国家天文台郭红锋

我们曾经在2017年第7期里介绍过观察恒星的视运动，那里举的例子是站在北半球中纬度地区（例如北纬40°），面对南方，观察南面天空中的星座。看上去位于南面天空中的星星跟太阳一样东升西落，视运动的轨迹也是倾斜的半圆，从东到南再到西。这一期我们要带同学们（仍然是在北半球中纬度地区，例如北纬40°），转身面对北方，观察北面天空中星座的周日视运动。

一、地球某地可观测的星空范围

在观察之前，我们要给同学们讲清楚一个观察星空的常识：由于地球在自转，所以同纬度上的人们观察到的星空的范围是一样的（只是时间不同而已）；但由于地球是球形的，所以站在不同纬度上的观察者能够看到天空中的星星的范围就不同了。那么在地球上不同纬度的人，可以看到多大范围的天空呢？为了后面的计算方便，我们把赤道的纬度规定为0度，赤道以北到北极点的纬度是0度～+90度，赤道以南到南极点的纬度是0度～-90度（也就是南半球的纬度是负的）。

现在假如某人站在北半球地理纬度为Φ的地方（参考图1-1，图中O点表示地心，NOS表示极轴，AB是观察者所在地平线，A＇OB＇是观察者所在地平线的平行线，COD是AB的垂线。通过天顶，A〞OB〞与A〞OB〞相对于地轴是对称的，也就是角A＇ON=A〞ON=B＇ON=B〞ON）。那么理想情况下，站在北半球地理纬度为Φ的观察者可以看到当地地平线以上的星空，就是从-（90-Φ）度以上的星空；又由于地球的自转轴是通过南北极的极轴，所以我们能够看到的星空实际上是B＇ON这个扇面沿极轴转动的星空，用纬度表示就是-（90-Φ）度～90度，其中A＇OA"这个角度范围的星空是重叠的（图1-1中红色部分对应的星空），也就是在这个范围里的星星永不落下；同样道理，图中B＇OB〞这个角度范围的星空是不可见的（图1-1中绿色部分对应的星空），也就是在这个范围里的星星永不升起。如果在北极就只能看到0度～+90度的星空了（见图1-2），在赤道上则可以看到-90度～+90度的全部星空（见图1-3）。

图1-1 北半球某地天空可观测范围

图1-2 北极天空可观测范围

图1-3 赤道天空可观测范围

二、观察北天星空的旋转

在北半球中纬度地区观察北面天空（面朝北方，左手方向为西，右手方向为东）星座的周日视运动，最显著的莫过于大熊、小熊、仙王、仙后围绕北极星的旋转舞了。那些著名的星座和数不尽的大大小小的星星，它们好像手牵着手组成一些固定的阵列。它们既严格保持着队形，又不停地围绕一个中心转动，此上彼下，此起彼伏，俨然在表演一场旋转明星秀。即使在有光污染的城市里，在比较晴朗的夜空也能看见北斗七星、北极星和仙后座。

同学们可以在一个晴朗的夜晚里连续观察这些比较亮的星和星座的运动，例如从天黑开始观察，每小时记录一次星座的方位（参考地面参照物），到午夜或者在后半夜，你就会发现北斗七星和仙后座的方位在天空中发生了很大的变化。图2是2014年10月2日，同学们在河北怀来的观察记录。晚7点多北斗七星在西北边较高的位置，斗柄朝上（西北），仙后座在东北边较高的位置；到晚上10点多北斗七星就在西北地平线附近了，斗柄朝西，这时仙后座升到东北方离头顶很近，需要仰视才能看到的位置；到凌晨2点左右北斗七星又转到东北地平线附近了，斗柄朝西南，仙后座在西北方离头顶较近的位置；凌晨4点多北斗七星已经升到东北较高的位置了，斗柄朝下（南），仙后座在西北方离头顶偏下。

图2 北斗七星与仙后座围绕北极星旋转

图3 群星围绕北极旋转及永不落下星空的范围

原来星座也如白天的太阳一样东升西落，它们旋转的中心是北极（北极星离北极只有半度，所以我们肉眼看不出北极星的转动）。那些离北极比较近的星座，例如北斗七星所在的大熊座，北极星所在的小熊座，以及仙后座、仙王座等，都是在旋转中永不落下的星座，这就如同我们在北极圈里极昼时看到太阳永不落下是一样的道理。而那些离北极远一点的星座，例如天鹅座，就在天空中旋转了一个大半圆；那些离北极比较远的星座，例如天蝎座，就在天空中旋转一个小半圆；那些离北极更远的星和星座（例如全天第二亮的老人星），在北半球中纬度地区（例如北京）就如同极夜时看不见太阳一样，永不升起。

为了检验群星都围绕北极（星）转动，同学们还可以用相机对准北极星，拍摄星空旋转的轨迹图，从图上可以很明显看出星空的旋转和永不落下星空的范围，见图3。