天文学问答（5）北极星总是在正北边么？

从长时间曝光拍摄得到的星轨照片可以发现，天上的星都在绕着一个圆心转动。现在我们知道，这是地球自转导致的。在北半球，星轨的圆心附近有一颗明亮的星，就是我们常说的北极星。这是因为目前地球自转轴指向北极星附近。仔细观察可以发现，其实北极星也和其他星一样绕着真正的北极转圈，只是这个圈比较小。

自转的地球可以看作一个大陀螺。观察陀螺转动可以发现，陀螺自转轴方向是比较稳定的，但这个方向也不是完全不变的。如果受到力矩作用，陀螺自转轴会会绕另一根轴转动，这种运动称为进动。进动周期通常比自转周期长得多。

具体到地球，因为地球不是完美的球型，它会受到太阳引力导致的力矩。在这个力矩的作用下，地球的自转轴会绕垂直于黄道面的轴进动。也就是说，地球自转轴会在一个顶角为47度（23.5度的两倍）的圆锥面上运动。是的，正是北回归线到南回归线的纬度差。地球自转轴进动的效应难以直接观察到，需要积累较长时间的观测才能发现。这也保证了地球上的季节变化是稳定的。

地球自转轴的进动会导致赤道面和黄道面交点的变化，也就是说，春分点会变化。这种效应叫做岁差。公元前150年前后，古希腊天文学家喜帕恰斯比较了他观测的星表和前人的星表，发现恒星位置有系统性的偏差，由此发现了岁差。天文学家在此基础上才逐渐认识到地球自转轴的进动。

目前地球自转一周需要大约24小时，而地球自转轴进动的周期大约为26000年。简单来说，地球自转轴指向天空的位置每年会移动50.3’’。可以想象，几千年前，如果那时也有北极星，那么那时所说的北极星和今天我们所说的北极星一定不是同一颗。我们在今天有一颗北极星是一种幸运，因为地球北极并不总是指向一颗亮星。

六百多年前，郑和下西洋的时候，今天的北极星与地球北极尚有一定距离，但或许已经开始被用作北极星了。不过，可以想象，此时用北极星导航还需要做一些修正才能找到真正的正北方向。随着地球自转轴的进动，地球北极正在逐渐远离北极星，数百年后，今天的北极星就不再是北极星了。从地球北极在天球上的轨迹可以发现，在一万多年后，地球北极会指向织女星附近。到那个时候，织女星或许会变成那个年代的“北极星”。

对于现代天文观测来说，地球自转轴进动每天的变化产生的影响都需要考虑，否则就无法实现望远镜指向。在给出天体坐标的时候，都需要指定历元，也就是要说明，给出的坐标是什么时候的坐标。望远镜实际观测的时候需要根据这个历元的坐标，考虑地球自转轴进动，计算当前时刻天体的坐标，然后根据当前时刻的坐标对天体进行观测。

在巡天观测中，有一种中星仪扫描的模式，保持望远镜不动，依靠地球转动实现对天空的扫描。因为地球自转轴进动，每天的扫描线是不平行的。所以如果要间隔几年再重复观测，无法完全重复之前扫描观测的扫描线。为了解决这个问题，需要对观测模式稍作修改，沿固定扫描线进行扫描。这样，即使间隔几年，扫描观测也可以重复之前的扫描线。

地球北极变化的轨迹