天球

天文学概念

天球（英语：Celestial sphere），是在天文学和导航上想出的一个与地球同球心，并有相同的自转轴，半径无限大的球。天空中所有的物体都可以当成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，就是天球赤道和天极。天球是位置天文学上很实用的工具。

基本介绍

天球，是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不同，有日心天球、地心天球等，各个天体同地球上的观测者的距离都不相同。

相比天体和观察者间的距离，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，比在空间处理视线方向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。

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，并主要应用球面三角学计算点位的关系。它假定各天体在天球表面上的投影就是天体在宇宙空间中的位置。

相对于地球不动的概念，天球上的物体也是每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。因为地球有公转的缘故，一颗恒星总是比它前一天提前约4分钟升起。

天球可被它的赤道（即天赤道）分成北天半球和南天半球两部分。对应着有北回归线、南回归线与南极、北极。因为地球是自西向东旋转，所以天球上的物体都是相对天球自东向西旋转。

可以构建一个天球坐标系统来量化天空物体的朝向。而因为有天球的概念后，天文学家以此开始创立不同坐标系如黄道坐标系和银道坐标系。但要注意的是，天球仪是在天球外看天球，天象厅或模拟星象是在天球内看天球。

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。尽管这是不正确的，但它仍不失为一种很好的抽象系统。

天空中的一切都不是仅凭我们的肉眼就能够判断出距离的。正因为此，我们仅能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的工具了。

天文观测

根据观测位置的不同，就具有不同的天球中心。严格来说，不同的观测者就有不同的天球中心。在地面上观测时，观测者的眼睛就是天球中心，这样建立起来的天球叫做地面天球。

如果从地心观测，则叫做地心天球。把地轴无限延长，就是假想的天轴，地球北极指的一点是北天极，地球南极指的一点就是南天极。通过地球中心和天轴垂直的平面叫做天赤道面，天赤道面和天球的会合处就是天赤道。

太阳在天球上每天移动约1度，一年则移动一周，这称之为太阳周年视运动，太阳中心在天球上视运动的轨迹则是黄道。

天文学应用

周日运动

星体在天上每日旋转一圈，这运动称为周日运动。把地球自转轴延伸到天球上的位置，就是天球的北极和南极。把地球的赤道伸延到天球上的位置，就是天球赤道了。

有一颗2等星非常接近天球北极，所以看来似乎永远静止不动，其它的星就好像绕着它旋转。我们称这颗星为北极星。因为北极星看来永远静止不动停留在正北方及不会下山，所以我们像居住在北半球的人便可以利用北极星来辨别方向。可惜的是，天球南极附近没有光星，所以没有「南」极星为南半球居民引路。

北极星相对于地面的高度取决于观测者所在地的纬度。例如在北京，北极星会在正北，离地面40 度；在北极，北极星会在头顶（天顶）；在赤道的地方，北极星刚好躺在水平线上；而在南半球，北极星是永远不会升出地平线，所以在南半球是永远看不到北极星。同样道理，有些星永远不会东升。居住在北半球的人永远看不到接近南天极的星，而居住在南半球的人同样也看不到接近北天极的星。

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。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。

以地球球心为中心，且具有很大半径的假想圆球。想象中，所有天体都附着在天球上。

天球是研究天体的位置和运动而引进的一个半径为任意的假想圆球。根据所选取的天球中心不同，有站心天球、日心天球、地心天球等，各个天体同地球上的观测者的距离都不相同。

进一步说:

我们站在地球上仰望星空，看到天上的星星好像都离我们一样远。星星就好像镶嵌在一个圆形天幕上的宝石。

实际星星和我们的距离有远有近，我们看到的是它们在这个巨大的圆球球面上的投影，这个假想的圆球就称为天球，它的半径是无限大。而地球就悬挂在这个天球中央。

星星在天空中移动的方向并不是杂乱无章的，而且星座的形状并不会改变。星星从东方的地平线爬上来，爬到最高点（中天），然后往西方沉下去。看起来就像整个天球围绕着地球旋转一样。相信大家都明白，地球并不是宇宙的中心，星体并不会绕着地球转。

星体在天空中绕着地球旋转，是因为地球自转而产生的错觉，天球本身是不会移动的。我们身在地球中，并不会感觉自己在转动的，就好像我们乘坐火车时看见窗外的景物向后移动，而并不感觉到自己在移动中。

地球上的距离，有角距离和线距离。但在天球上，只有角距离而没有线距离，因为天球的大小是任意的。至于两个天体间的实际距离，例如，牛郎星和织女星相距16.4光年，那是指空间的直线距离。天球上的任何一点，都只代表一个空间方向；任何两点间的弧长，实际上就是两个方向间的夹角。例如，牛郎星和织女星的角距离为35°。

坐标系统

为了准确形容天上星体的位置，天文学家制订了一套坐标系统来标示星体在天球上的位置。这套坐标系统和地球上惯用的经纬度坐标十分相似。

这套坐标系统把天球分为赤纬及赤经。赤纬的算法是从天球赤道开始至两极止，天球赤道是0度，向北至天球北极是+90 度，向南至天球南极是-90 度。赤经的算法较特别，和地球经度（由-180度至+180度）的算法不同，赤经是在天球赤道自西向东由0小时至24 小时，就是把一周360度平均分成24份，可以知道其中的1小时就等于15度。和时间一样，赤经的每小时可分为60分，每分可再细分为60秒。另外，这里的分秒是指时分时秒，和传统意义上的角分角秒不同，1时分=15角分，1时秒=15角秒。赤经计算的起点为春分点，春分点是太阳在每年的春分（3月21日前后）所处的位置。

像转动中的陀螺一样，地球的自转轴在太空中其实并不固定，而是以26000年的周期在转动，这个运动称为岁差，所以，春分点和天球北极的位置亦会非常缓慢地移动。所以，当我们使用天球坐标来标示天体的位置时，应该同时指出是哪一年的坐标，例如公元2000.0年。

天球被赤道的投影分为两个空间，分别为南天球和北天球。同样的，我们也可以在天球上找到北回归线、南回归线、北天极和南天极，可以量化天球上各种物体的方向，建构出各种的天球坐标系统。

因为地球是自西向东旋转，所以我们就把天球看成是自东向西旋转。

太阳在天球上每天移动约1度，一年则移动一周（360度），这称之为太阳周年视运动，太阳中心在天球上视运动的轨迹则是黄道。

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