漫话天文天球（1）
一、天球概述
天文天球（Astronomical Sphere），在这里简称天球（Celestial Sphere），是指在天文学和导航上设想出来的一个与地球同球心，并且有相同的自转轴，半径无限大的球。在天空中所有的物体都可以作为投影在天球上的物件。地球的赤道和地理极点投射到天球上，就是天球的赤道和天极（北天极和南天极）。天球是“位置天文学”领域十分实用的工具。
在亚里士多德和托勒密的模型中，天球想像成实际的物体，而不仅仅是一种所有天体的几何投影。
二、天球基本介绍
1、天球基本概念
天球，是为了研究天体的位置和运动而引进的一个假想圆球。根据所选取的天球中心的不同，有日心天球、地心天球等；各个天体与地球上的观测者之间的距离都不相同。
相比天体与观察者之间的距离，观测者随地球相对于上文中几乎做惯性运动的天体移动的距离是小量，所以看上去天体似乎都离我们一样远，仿佛散布在以观测者为中心的一个圆球的球面上。实际上我们看到的是天体在这个巨大的圆球的球面上的投影位置，这个圆球就称为“天球”。
观测者所能直接辨别的只是“天体的方向”。在球面上处理“点和弧段的关系”，要比在空间上处理视线方向之间的角度要简便得多。在天文学的一些应用中，都用天体投影在天球上的“点和点之间的大圆弧段”来表示它们之间的位置关系。
下图为天球示意图（图源：网络）。天球的半径是任意的。所有天体，无论多远，都可以在天球上有它们的投影。
“天球的半径”是任意选定的，可以当作数学上的无穷大。为了定量地表示和研究天体投影在天球上的位置和运动，需要在天球上建立“参考坐标系”，并且主要应用“球面三角学”计算点位的关系。它假定：“各个天体在天球表面上的投影就是天体在宇宙空间中的位置”。
2、天球上物体的旋转
相对于地球不动的概念，天球上的物体是每24小时围绕着天极旋转的。这就是“昼夜运动”；太阳、行星、卫星等等都是东升西落，这称为“天球的周日视运动”。由于地球有公转的缘故，因而一颗恒星总是比它前一天提前大约4分钟升起。
天球可以被它的赤道（即“天赤道”）分成“北天半球”和“南天半球”两部分。相对应地有“北回归线”、“南回归线”与“南极”、“北极”。由于地球是自西向东旋转的，因而天球上的物体都是相对天球自东向西旋转的。
可以构建一个“天球坐标系统”来量化天空物体的朝向（见下图；图源：网络）。而且，由于有了天球的概念以后，天文学家从此开始构建了不同坐标系，如“黄道坐标系”和“银道坐标系”。但是，需要注意的是，“天球仪”是在天球外看天球的，而“天象厅或模拟星象”则是在天球内看天球的。
3、天球的产生
许多古代科学家都相信天上的星星是与地球“等距离的”，这个“球”就是“宇宙的真正的模型”。尽管这种认识是不正确的，但是它仍然不失为一种“很好的抽象系统”。
在天空中的一切物体都不是仅仅凭借我们的肉眼就能够判断出它们距离地球的距离的。正因为如此，我们仅仅能够通过它们的“朝向”来确定其在天空中的“位置”。于是，天球就成了一个很有用的“天文定位工具”。
广袤无垠的天空，看起来像一个庞大的圆球，全部日月星辰好像都分布在这个球面上。在天文学上，就将以地球为中心，以无限大为半径，内表面分布着各种各样天体的球面，称为“天球”。
天球是以地球球心为中心，而且具有任意长半径的假想圆球。在想象中，所有天体都附着在天球上。
天球是为了研究天体的位置和运动而构建的。根据所选取的天球中心的不同，天球分为“站心天球”、“日心天球”、“地心天球”等。各个天体与地球上的观测者之间的距离都不相同。
（未完待续）
2024年8月21日编写、修改于重庆
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