不同坐标系下角速度_星空的经纬线：浅谈赤道坐标系

本文是“天狼观星者”第76篇原创文章

经纬度是非常重要的地理标尺。我们可以利用经度和纬度，来描述地球上任何地点的位置。卫星定位、测绘勘探、航空航海等现代科技，都离不开经纬度的帮助。经纬线还是地图的骨架，通过输入经纬度，我们能在Google Earth里旅行到地球的每个角落。

在联合国的标志里，地球被抽象成含有经纬线的圆

而对于天文工作者来说，他们希望如同地球经纬线那样，在天上编织一张无形的网，并借助它快速地定位各种天体。

然而，想要实现这个目标并不容易。在地球上，我们可以测量出某个固定地点的经纬度；而天上的星辰却在时时刻刻运转着，其方位难以捉摸。想要准确绘制出星空的经纬线、建立天体坐标系统，人们需要首先找到其运行的规律。

大约1900年前，东汉朝廷中有一位太史令，他对天文历法、算学、机关颇有研究，深受皇帝赏识。和历史上许多星官一样，他的工作任务是观测星象、占卜吉凶。 太史令在观星时察觉到，北天中有一个静止不动的天极点，其他所有星辰都绕着这个点旋转，测得北天极 “在正北，出地上三十六度”，并且推断有一个南天 极常年隐于地下，“在正南，入地三十六度”。 随后，他以南北天极轴为基准线，将周天平均分为 三百六十五 度又四分度之一(365.25°)，“又中分之，则半覆地上，半绕地下，故二十八宿半见半隐” 。周天星辰如在车轮上一样，围绕着天极轴旋转， “ 天转如车毂之运也，周旋无端，其形浑浑，故曰浑天 ”。

这位太史令，便是东汉著名科学家张衡。他提出著名的浑天说，在世界上首次尝试在南北天极轴的基础上，建立度量星辰方位的体系。

生活在同一时期的古希腊天文学家托勒密，比张衡小12岁。他在代表作《至大论》(Almagest)中，详细记述了将立体星空投影到平面星盘的方法。他还建立了以地心说为基础的天体运行理论，将天体位置标记在天球上，以星盘(类似于纬线)解释天体的运行规律。

而在现代天文学中，最常用也最重要的天体坐标系统，是类似于浑天说那样以南北天极轴为基本轴、脱胎于托勒密天体理论的坐标体系。由于南北天极轴刚好穿过地球的南北极点，并且这个坐标系以地球为中心，因此这个坐标系的水平面和地球赤道平面一致，从而得名“赤道坐标系”(equatorial coordinate system)。

我们如何在赤道坐标系内，定义目标天体的经纬度呢？地球上经纬线的定义方法给我们提供了启示。

我们先来看纬度。赤道坐标系纬度(简称赤纬)和地球纬度类似，都是衡量目标方位与水平面的垂直夹角。图中目标天体的赤纬是δ角。和地球纬度不同的是，赤纬δ在北天球度数为正、南天球度数为负，其范围是-90°~90°。

照片里的星轨，可以视为一段段赤纬线

而对于经度，地球上的0°经度是英国格林威治天文台所在的经度，由此往东西方向各延伸180°，覆盖整个地球。而赤道坐标系经度(简称赤经)的0°，位于黄道和赤道的交点之一——春分点(以春分点所在星座白羊座的符号♈表示)。赤经是目标天体在天赤道平面上的投影，与春分点之间的夹角。前面图中目标天体的赤经是α角。赤经角度由西向东从0°增大到360°。在天文实践中，一般将赤经角度的度°、分'、秒"数值除以15，并将其单位替换成时角ʰ、时分ᵐ和时秒ˢ。因此，赤经α的范围是0ʰ 0ᵐ 0ˢ~ 23ʰ 59ᵐ 59ˢ。

天球仪是基于赤道坐标系制作的

赤道坐标系的优点在于，天体的坐标不会因东升西落(即地球自转)而发生变化，因此可以像用地球经纬度定位地点那样，利用赤经和赤纬来定位天体。例如我们可以用δ=-16° 42' 58"、α=06ʰ 45ᵐ 09ˢ，在星空中定位天狼星；用δ=+22° 00' 52"、α=05ʰ 34ᵐ 32ˢ来找到蟹状星云(M1)。

就像绘制地图一样，我们可以基于赤道坐标系，绘制具有经纬线的星图。在星图中一般不标注太阳系天体，因为太阳系天体的赤纬和赤经会因行星公转而不断发生变化。

在大熊座星图的四周，围绕着赤经和赤纬标志，和地图非常相似

赤道坐标系也有其局限性。我们知道，日月星辰的东升西落是地球自转的直接反映。而由于赤道坐标系的基本点(春分点)不会跟随地球自转，因此赤道坐标系本身也会在天空中自东向西旋转，其角速度和地球自转角速度的数值相同、方向相反。而地球上的观测设备都是地平式的，会随着地球自转不断运动，这对于基于赤道坐标系的天文观测带来了不少挑战。

如何规避赤道坐标系旋转(本质上是地球自转)带来的问题呢？解决方案有两个：一是使用辅助仪器，抵消观测过程中赤道坐标系的位移；二是在太空中开展观测，摆脱地球自转的影响。

对于第一种方案，最常用的辅助仪器是赤道仪。赤道仪的工作原理是，让其承载的望远镜转动角速度和地球自转相同，而方向正好相反，从而抵消赤道坐标系的位移。一套标准配置的望远镜必须配有赤道仪。

在赤道仪的帮助下，我们可以长时间观察同一片星空区域

在赤道仪的帮助下，我们可以长时间观测同一天体，也可以对暗弱的深空目标进行长时间曝光拍摄。为了保证跟踪质量，赤道仪的角速度需要通过程序设定，并在电机驱动下自动运行。

想要拍摄壮观的马头星云，必须使用赤道仪

而第二种方案从根本上规避了地球自转的影响，但成本明显高过第一种。例如，哈勃望远镜的继任者——詹姆斯·韦伯空间望远镜，未来计划发射到日地系的L2拉格朗日点，距离地球约150万千米。由于位于拉格朗日点附近的物体将与地球和太阳保持相对静止，因此詹姆斯·韦伯望远镜完全摆脱了地球自转的影响，其运行的角速度与地球公转保持一致，从而为观测深空天体留出了非常长的时间窗口。

在天文理论中，除赤道坐标系以外，还有地平坐标系、黄道坐标系等多种天体坐标系统，分别适用于不同的研究领域。不过赤道坐标系具有独特的优点，无疑是其中应用最广泛的系统——它是星空的经纬线，是苍穹的指南针，是天体的定位器，也是天文大厦的奠基石。

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