天空中的星斗密密麻麻,数也数不清,怎么去辨认它们呢?人们用想象的线条,把天空划分成许多区域,并给它们相应的名称,例如我国古代所命名的“二十八宿”、“北斗”等。在西欧,划分出的星空区域则叫做“星座”。国际上统一把整个天空划分为88个星座,其中有48个星座是古希腊天文学家认定的,这些星座大多以古希腊神话故事中的人物、动物命名,如大熊座、仙后座、狮子座、天蝎座、牧夫座、天琴座等。近代划分的星座是以科学的系统划分的,许多星座采用天文学或其他科学仪器的名称命名,如六分仪座、八分仪座、望远镜座、时钟座、雕具座、显微镜座等。
这些星座,犹如地球上大大小小的许多国家。每个星座中都有许多星星,恰似一个国家中众多的城市和村镇。它为我们辨认繁星密布的星空,提供了极大的方便。
辨认星座时,应根据星图和说明,先找到星座中最亮的几颗恒星(一般按亮度依次用希腊字母α、β、γ……来表示),然后再根据星图中各星的相对位置来认识整个星座。但是,在认识白羊、金牛、双鱼、双子、巨蟹、狮子、室女、天秤、天蝎、人马、摩羯、宝瓶这12个位于黄道上的星座时,有时可能看到在星图上找不到的个别亮星,那多半是太阳系中的行星。肉眼可以看到的行星只有5颗,它们是:水星、金星、火星、木星和土星。
不论何时何地,我们都会感到头顶上的天空好像是个巨大的半球,罩着我们周围一望无际的大地,我们自己就处在这个半球的中心。随着科学技术的发展,我们已经知道空间是无限的,根本没有什么大球盖在我们的头顶上。我们这里所说的天球,是人们为了研究天体的位置和运动,而假想的一个以观测者为中心的,半径为我们可探测到的最远距离的圆球。由于天体和观察者间的距离与观察者随地球在空间移动的距离相比要大得多,所以看上去天体似乎都离我们一样远,仿佛是散布在以观测者为中心的这个假想圆球的球面上。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,这个圆球就是天球。
观测者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,可以认为是数学上的无穷大。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。
天球仪就是一种用于航海、天文数学和普及天文知识的天球模型。人们可以利用它表述天体的各种坐标、天体的视运动以及求解一些实用天文问题。
在观测天体时,我们往往需要比较准确地说明某颗星星在天球上的位置,这时就要用一种数学的方法来加以描述,因为数学有精确描述物体位置、运动规律的本领。
我们先说个“坐标系”的概念。我们说天津市在北京市的东南方110千米处,这里就是把北京作为基点——数学上的坐标原点。而且有了两个坐标——方向和距离。这时,我们只要人为规定一个参考点为0°方向,那么我们所在的平面上的所有位置,就都可以用数字表示出来了。比如,假定正东方为0°方向,那么按顺时针转,正南方100千米的地方就是(90°,100千米)。
由于天体都离我们非常遥远,我们一般就把天体都沿着我们视线的方向,投影到前面提到过的天球球面上。这时我们以天球上任何一个大圆 BCDK (圆平面过天球球心)作为球面坐标系的基圆,大圆所在平面称为基本平面。基圈(基本平面和天球的交线)有两个几何极 A 和 A′ ,选择其中的任何一个,如 A ,作为球面坐标系的极。再过极 A 作天球的半个大圆 ACA′ ,作为球面坐标系的主圈或始圈。主圈与基圈的交点 C 称为球面坐标系的主点或原点。天球上过极的每一个大圆都与基圈垂直,称为副圈。为确定球面上任何一点 σ 的球面位置,通过极 A 和 σ 作一个大圆弧即副圈,与基圈交于 D 点。点 σ 的球面位置,可由两段大圆弧 σD 和 CD ,也可由大圆弧 σD 及球面角 CAσ 或平面角 COD 加以确定。大圆弧 σD 或极距 Aσ 称为球面坐标系的第一坐标,而大圆弧 CD 或球面角 CAσ 称为第二坐标。对于不同的基圈、主圈和主点,以及第二坐标所采用的不同量度方式,可以引出不同的天球坐标系。