第一章天文科学

天文科学尽管研究的是宇宙中各类天体和天象，绝大多数好像遥不可及和高深莫测。然而历史上的天文学家和现代高新技术，已经揭示了宇宙天体的内在性质和变化规律，因此，只好我们掌握这些知识，就能开启天文科学的大门。

天文知识

宇宙

宇宙是空间和其中存在的各种天体及所有物质的总称，宇宙是物质世界。它处于不断的运动和发展中，在空间上无边无界，在时间上无始无终。人类对宇宙的认识，从太阳系到银河系，再扩展到河外星系、星系团乃至总星系。人们的视野已达到100多亿光年的宇宙深处。有人把总星系称为“观测到的宇宙”、“我们的宇宙”；也有人把总星系称为“宇宙”。宇宙天体表现出多种多样的形态：有密集的星体状态，有松散的星云状态，还有辐射场的连续状态。宇宙中的天体都有它的产生、发展、衰亡的历史，但作为总体，宇宙的产生、发展一直是宇宙学研究的主要课题之一。关于宇宙的产生可参看宇宙的大爆炸模型。

宇宙的盖天说

是中国古代的一种宇宙学说。其大约始于周朝初，到公元前1世纪，已经形成了一个完整的、定量化的理论体系。按照盖天说的宇宙图式，日月星辰绕着它旋转不息。盖天说认为，日月星辰的出没，并非真的出没，而只是离远了就看不见了，离得近就可以看见它们的照耀。据汉代学者王充解释：“今试使一人把大炬火，夜行于平地，去人十里，火光灭矣；非灭也，远使然耳。今，日西转不复见，是火灭之类也。”

我们知道，现在人们已经认识到宇宙的盖天说是完全错误的，它反映了人们认识宇宙结构的一个阶段，在描述天体的运动方面也有一定的历史意义。

宇宙的浑天说

是中国古代的一种宇宙学说。浑天说最初认为：地球不是孤零零地悬在空中的，而是浮在水上；后来又发展，认为地球浮在空气中，因此有可能回旋浮动，这就是“地有四游”的朴素地动说的先河。“浑天说”认为全天恒星都分布于一个天球上，而日月五星则附丽于天球上运行，这与现代天文学的天球概念十分接近。因而“浑天说”采用球面坐标系，如赤道坐标系，来量度天体的位置，计量天体的运动。“浑天说”不只是一种宇宙学说，而且是一种观测和测量天体视运动的计算体系，类似现代的球面天文学。“浑天说”对现代宇宙学的发展起到了重要的作用。

黄道

黄道是地球绕太阳公转的轨道与天球相交的大圆。由于地球的公转运动受到其他行星和月球等天体的引力作用，黄道面在空间的位置产生不规则的连续变化，但在变化过程中，瞬时轨道平面总是通过太阳中心。从地球中心来看，黄道很接近于太阳在恒星中的视周年路径。通过精密的天文仪器，可以察觉黄道与太阳视周年路径的差别。

白道

月球绕地球公转的轨道平面无限延伸交天球于一圈，称为白道。白道与黄道有接近6度的交角（见“黄道”条）。

三垣二十八宿

中国古代为了认识星辰和观测天象，把天上的恒星几个几个地组合在一起，每个组合给一个名称。这样的恒星组合称为星宫。各个星宫所含的星数多少不等，少到一个，多到几十个。所占的天区范围也各不相同。在众多的星宫中，有31个占有很重要的地位，这就是三垣二十八宿。三垣是指紫微垣、太微垣、天市垣。二十八宿的名称为：东方七宿：角、亢、氏、房、心、尾、箕；西方七宿：奎、娄、胃、昂、毕、觜、参；南方七宿：井、鬼、柳、星、张、翼、轸。北方七宿：斗、牛、女、虚、危、室、壁。

星等

是表示天体相对亮度的数值的量，最早人们把全天人眼可见的星按感觉的亮度分为6等，最亮的20颗星定为1等，亮度随星等数目的增加而降低，后来人们发现，1等星比6等星亮约100倍，于是，用公式将天体的亮度和星等联系起来。星等的零点由规定的某颗星的星等值来确定。

天球

天球是在天文学研究中为了确定天体的位置而假想的一个圆球。天球的半径可以认为是无穷大，包容了所有的天体。所有的天体可以认为是位于天球上。地球被看作是天球的中心。

天体

天体是宇宙中各种星体的通称。其代表宇宙中所有物质组成的集合体。包括星系、星团、恒星以及各种发光或不发光的星际物质。

天顶

天顶是观测者头上无限延伸的一点。因为地球上各点与地球中心的联线不同，各地的天顶也是不同的。

地平面

通过观测者所在地与该地方的铅垂线垂直的平面称为地平面。由于地球呈球形，地平面与观测者所在地有关。

天文现象

日食

是太阳被月球遮蔽的现象。月球在绕地球运动的过程中，有时会走到太阳和地球中间，这时月球的影子落到地球表面上，位于影子里的观测者便会看到太阳被月球遮住，这就是日食。月球的影子可以分为本影、伪本影和半本影三部分。在日食时，观测者有时可能在本影范围内，这时观测到的日食为全日食。在伪本影内，则见月球不能完全遮住太阳，在太阳边缘剩下一圈光环，这就是日环食。在半本影内，则见太阳的一部分被月球遮住，称为日偏食。全世界每年最多可以发生5次日食，最少也要发生2次日食，对于某一个确定的地点，平均每3年左右就可以看到一次日偏食，日全食则平均每300年才能看到一次。日食发生的条件有两个：一是月球在朔（新月）的时候，二是太阳同交点的距离在日食限以内。

月食

是月球进入地球的阴影，月面变暗的现象。地球在背着太阳方向有一条阴影，地影分为本影和半影两部分。本影没有受到太阳直接射来的光，半影受到一部分太阳直接射来的光。月球在绕地球运行过程中有时进入地影，这就发生月食。月球整个都进入本影，发生月全食；只有一部分进入本影，则发生月偏食。有时月球只进入半影，这称为半影月食。月球进入地影的现象只能发生在“望”（农历十六日前后）。月食的程度的大小用食分来表示。食分等于食甚时，月球视直径在食甚时进入本影的部分与月球视直径之比。每年发生月食的概率（包括本影和半影月食）最多为5次，最少为2次。

月相

表示月球圆缺（盈亏）的各种形状的变化。月球本身不发光，只是反射太阳光。月球绕地球运转，月球、地球和太阳三者的相对位置也在不断变化，因此，地球上的观测者所见到的月球被照亮的部分也在不断变化，从而产生不同的月相。月相依次称为新月（朔）、上弦、满月（望）和下弦。月相更替的平均周期为29.53059日，即朔望日的平均长度。中国农历日期基本符合月相变化。每月初一必定是朔，至于望，则可能发生在十五、十六、十七这三天中的任意一天，以十五、十六居多。

历法与记年

历法

组合年、月、日等计时单位计算较长时间段的系统。初以昼夜变化计日，季节变化计年，基本特征为物候历。逐步过渡到以天象变化作计时单位的天文历法，即以地球自转周期计日，月相变化周期计月，太阳两次达到同一分、至点的周期计年。实际上日、月、年三个时间单位不能公约，而历法要求这三个时间单位都为整数，因而历法就成为解决这一矛盾的方法，尽可能使历日、历月、历年的平均长度与实际日、月、年长度一致。按这一原则采用不同的组合方式就得到各种各样不同的历法，所以历法就是解决历日、月、年平均长度接近自然日、月、年同期长度的方法。历法最基本的分类是太阴历、太阳历和阴阳历。

阳历

又称太阳历，平均历年长度接近季节变化周期回归年长的一种历法，能反映季节变化，有利于安排农时。中国古代二十四节气就是一种阳历，现行公历（也叫格里历）也是阳历，由教皇格里高利十三世1582年命人修订而成，它平年365天，每4年加一个366天的闰年，世纪年能被400除尽的才算闰年，于是400年里去掉了3个闰年，平均历年长365.2425日，与回归年365.2422日相差甚微。1、3、5、7、8、10、12月为大月31天，2月平年28天、闰年29天，其余月份为小月30天，通用于当今世界。

阴历

又称太阴历，平均历月长度接近朔望月长，每年12个月的历法。一般来说大月30天，小月29天，平均29.5天的历月接近29.5306天的朔望周期，为解决其间差数的积累会使历与月不一致的矛盾，也要加闰。历年长354天左右。

阴阳历

平均历年长接近回归年，平均历月长接近朔望月，调和阳历与阴历的一种历法，既照顾到农时节令，又能参照月相计时的历法。中国通用的“夏历”或称“农历”，老百姓俗称“阳历”的就是这种阴阳历，它虽用阴历计月，却不是阴历，因为它的年长使用的是阴历计年的方法。调合的具体手段叫置闰，就是在适当时候加一闰月。以农历为例，大月30日，小月29日，平均12个月，有354或355天，与回归年平均约差11天21小时。闰年13个月，有384天或385天，用每3年一闰，5年再闰，19年7闰的方法使平均历年接近回归年。月与月相一致，年则用24节气循环构成回归年。

大明历

中国南北朝时祖冲之创制的一部历法。创制于刘宋大明六年（462年），受守旧派阻挠未颁用，直到梁天监九年（510年）才颁行。它是中国历法上第一部引入岁差的历法，此外还有许多创造，如历法数据精确，有实测基础，一回归年规定为365.2428日，是12世纪以来中国历法中与近代测值最接近的回归年数值。使用新闰周，391年144闰。定岁差45年11月差1°。定近点月长为27.21223日，与近代测值27.21222日十分接近等。

授时历

中国元初由郭守敬、王恂、许衡等人共同编制的一部历法，至元十八年（1281年）颁用。元世祖忽必烈决定并支持制定一部新的历法，在“历之本在于实测”的指导思想下，研制了许多新仪器，进行了大规模实测，创立了新的数学计算公式，并吸收前人成功的经验和精确的数据，使授时历达到很高的水平。考虑到明代大统历实际是沿用授时历，则它是中国历史上行用最久的一部历法，使用了360多年。授时历以365.2425日为一回归年，29.530593日为一朔望月。授时历有很好的实测基础，所定数据全据实测，历史上曾受到朝鲜、日本等国注意并曾东传。

二十四节气

中国古代对一年所分的时间段。有两种划分法：将一年日数等分成24段，每段谓之一节气；将黄道等分24段，太阳每经过一段的时间谓之一节气，各气的时间不等长，因为太阳在黄道上不是均匀运动。24气又分成12中气、12节气：从冬至起太阳黄经每增加30°，就是一个中气；从小寒起太阳黄经每增加30°就是一个节气。从中气雨水开始为正月，每过一个中气依次得到二月、三月……月名与中气联系着。没有中气的月份只能使用上个月的月名，是为闰月。二十四节气中二分、二至的概念产生得最早，可追溯到5000年前。秦汉年间，二十四节气已完全确立。二十四节气是天文历法服务于农业生产的杰出创造。

天干地支

以60为周期的序数，是中国古代用来纪日、纪年、纪数等的方法。它以十天干：甲、乙、丙、丁、戊、己、庚、辛、壬、癸和十二地支：子、丑、寅、卯、辰、己、午、未、申、酉、戌、亥顺序相配组成。从甲子、乙丑……直到癸亥。干支在中国的历法史上有着重要的地位。如纪日的纪时就是将一日均分为12个时段，分别以十二地支表示，子时为现在的23点至1点，丑时为1点至3点等。在我国农村现在依然有用天干地支纪年的习惯。

光年

指光在真空中一年时间走的距离，是天文学中常用的距离单位。真空中的光速为299，796公里/秒。1光年等于94，605亿公里。离太阳最近的恒星是半人马座比邻星，与太阳的距离约为4光年。人类观测到的宇宙深度已达到150亿光年。

年

是以地球绕太阳公转运动为基础确定的时间单位。其分为回归年和恒星年。太阳在天球上连续两次通过春分点所需要的时间间隔定为一年的长度称为一回归年。每年的长度取365平太阳日，依据太阳在天球上连续两次通过某颗恒星所用的时间所确定的恒星年长度为365.256平太阳日。

月

以月球绕地球公转运动为基础的时间单位。根据起点不同，有各种各样的月。朔望月是月相变化的周期，是根据月球相对于太阳的位置来确定的，长度为29.53059平太阳日。分点月（又称为回归月）是月球黄经连续两次等于春分点黄经所需要的时间，长度为27.32158平太阳日。恒星月是月球在天球上连续两次通过某一恒星所需要的时间，长度为27.32166平太阳日。这是月球绕地球的平均公转周期。公历中每一个历年（365或366平太阳日）分成十二个月，按照习惯，月的长度有28、29、30和31平太阳日四种。

日

是时间的基本单位，分为恒星日、真太阳日、平太阳日。恒星日是某地子午面两次通过同一恒星的时间间隔。真太阳日是以太阳为参照点，即子午面两次经过太阳的时间间隔。由于地球公转的不均匀性，造成一年中真太阳日长短的不同，取一年中真太阳日长的平均值就是平太阳日。一年中包含366.2422个恒星日，包含365.2422个平太阳日。我们通常所指的日是平太阳日。

天文仪器

灵台

又称司天台。中国古代的天文台。现存最早的灵台遗址在洛阳，建于东汉，台基约50米见方。至今保存最好的灵台是北京观象台，是明清两代的灵台。

刻漏

中国的漏壶也称刻漏，是依滴水量计算时间的仪器。最初出现的是沉箭漏，浮于水面的木箭因滴水后水位下降而下沉，依箭上刻线计时。不久出现浮箭漏，加一受水壶，随着水位上升，浮于其上的木箭渐渐上浮。唐代出现四级漏，多加一级补水壶，泄水壶水位就更稳定一些，称多极漏。宋代燕肃于1030年创莲花漏，浮箭出于莲心，提高了刻漏精度。此外还有将受水壶置于秤盘处，移动秤砣称壶中水的重量以计时的称漏、改水为沙的沙漏等多种刻漏。称漏最早制成于北魏，沙漏最早记载见于元代。

用漏壶计时的计时系统称漏制，漏刻采用百漏制，即一昼夜分成100刻。

日冕仪

在不发生日全食时观测日冕的光学仪器。1931年由法国天文学家李奥发明。日冕的亮度只有光球亮度的百万分之一。平时被光球的散射光淹没，在地面上只有发生日全食时才能观测到。日冕仪的设计原理是制造人造日食，并尽可能地消除仪器的散射光。在地面上，地球大气的散射光大于日冕，因此日冕仪一般安置在空气稀薄的高山上。

天文望远镜

用来收集远处物体的辐射并将其成像的仪器。由物镜、目镜及其他配件组成。来自物体的光线先经过物镜，再经过目镜，人眼在目镜后面观测。望远镜的作用是扩大物体的张角和增强聚光能力，以便看到更多的细节和更暗的目标。按光学系统不同可分为三类：折射望远镜、反射望远镜和折反射望远镜。望远镜发明于17世纪初，1609年伽俐略制成了第一架天文望远镜。之后的200多年间主要用于目视观测。照相术应用于天文观测后，用天文望远镜进行天文摄影也成了天文研究的重要手段。当今的天文望远镜已成为全波段的观测仪器。

天文设施

天文台

天文观测和天文研究机构。拥有各种类型的天文望远镜和测量计算的仪器，在进行观测的同时，处理分析观测到的数据，进行天文学的研究。按工作的特性和设备状况，天文台可以分为：（1）光学天文台；（2）射电天文台；（3）空间天文台。世界上最早的天文台是公元前2600年在埃及建立的天文台。1609年天文望远镜发明以后，在欧洲逐渐建立了一些天文台，如1667年法国建立的巴黎天文台和1675年英国建立的著名的格林尼治天文台。中国最早的天文台是河南偃师的古天文台遗迹洛阳灵台。1949年以后，新建了北京天文台、上海天文台、陕西天文台、云南天文台、台北市天文台及一些观测站，另外还有南京紫金山天文台和几个观测站。另外几所大学也设有教学天文台。

紫金山天文台

中国科学院下属的天文研究机构。1934年建成，当时称为中央研究院天文研究所。建国后，于1950年改称中国科学院紫金山天文台。台部设在南京市鼓楼，观测基地位于南京城外东北的紫金山上，地理位置为东经118°49’，北纬32°04，海拔267米。主要设备有60厘米反射望远镜、14厘米色球望远镜、太阳光谱仪、40厘米双筒折射望远望、43厘米施密特望远镜等。主要从事于空间天文、射电、人造卫星、太阳物理、恒星物理、理论天文、行星、时间、纬度、历算等方面的研究。出版物有《紫金山天文台台刊》、《中国天文年历》等。

0北京天文台

中国科学院下属的天文研究机构，是以研究天体物理为主的综合性天文台。1958年建台，本部在北京市中关村，下设4个观测站，分别在北京沙河、怀柔、密云县及河北兴隆县。兴隆观测站主要开展恒星物理、河外天体物理以及观测宇宙学的研究。密云观测站主要从事太阳射电、宇宙射电和射电技术的研究。怀柔观测站是太阳物理的观测基地，主要从事太阳物理研究，现配有国际技术水平领先的太阳磁场望远镜。沙河观测站是一个多学科性的天文观测与研究基地。世界数据中心天文分中心中国中心设在北京天文台，提供天文数据服务。

北京天文馆

于1957年建成，是中国第一所以传播天文知识为主的科学普及机构，坐落在北京西直门外。其任务是普及天文知识，组织群众性的天文教育和观测研究工作。北京天文馆初期使用的是德国生产的天文仪器，从1976年起，改用中国自己设计制造的天象仪来演示天文观象。1956年5月1日将始建于明朝的古观象台以“北京古代天文仪器陈列馆”的名义对外开放，供国内外参观者游览和考察。台上陈列着8架清代大型铜制观天仪器，是按照乾隆年间的布局摆放的。8架仪器有天体仪、赤道经纬仪、黄道经纬仪、纪限仪、地平经纬仪、地平经仪、象限仪和玑衡抚辰仪。