1-6 星空的運行

4. >  1-6.3 恆星周日運動的立體軌跡

雖然我們是從畫面上觀察恆星的運行,希望同學還是能將平面的畫面呈現還原成立體空間的運行。現在請同學透過星空模擬軟體的操作,來回答下面這個問題。

如果有一恆星從正東方升起,當這顆恆星運行到最高點時,會在我們的正頭頂位置、或是頭頂偏北的方向、亦或是頭頂偏南的方向呢?最後當這顆恆星落到西方地面附近,是會落在正西方、或是西北方還是西南方向呢?

請同學操作星象模擬軟體,回答上面這個問題,並在空白網格上(圖1-56)標記這顆恆星於上述三個時間點的位置。建議可以用12月14日18時00分,此時獵戶座腰帶的三顆恆星,會出現在正東方的地面。如果地面的景物會阻擋視線,可以將左下角功能選單的「地景」關閉(網頁版在正下方的Landscape功能按鈕)。

圖1-56 空白的方位角和仰角網格。

(同學可以自行操作Stellarium,或是觀察圖1-57)

當同學完成標示這顆恆星在正東方升起於地面的位置後,就操作讓時間快轉到恆星到達最高點時的位置(在南、北方向的連線上,也稱為子午線)、以及恆星落入西方附近地面時的位置,並將這兩個時刻的恆星位置也標示在網格上。

圖1-57A 獵戶座腰帶(圖中紅色箭頭所指之處)隨時間的位置變化。(網頁版Stellarium畫面)
圖1-57B 獵戶座腰帶(圖中紅色箭頭所指之處)隨時間的位置變化。(網頁版Stellarium畫面)
圖1-57C 獵戶座腰帶(圖中紅色箭頭所指之處)隨時間的位置變化。(網頁版Stellarium畫面)

將獵戶座腰帶的位在:從東方地面附近升起時的位置、到達最高點的位置(位在子午線上的位置)、以及即將落入西方地面的位置標示在空白方位角與仰角的網格之後(如圖1-58),建議同學嘗試假裝自己面向北方,並以右手指向這顆恆星升起的位置,然後揮動手臂,以手掌的方向指向此顆恆星運行的軌跡,直到恆星落入地面,感受一下恆星在真實的天空中是如何運行。

圖1-58 獵戶座腰帶在空中的位置變化。圖中A1、B1、C1分別對應圖1-57A、B、C中獵戶座腰帶在空中的位置。

接下來,我們進一步試著把恆星的運行畫成立體的軌跡。首先,請同學畫一個歪斜的十字線(如圖1-59A),並將十字線的端點連成一個橢圓。我們把十字線的端點當作4個不同的方位,左側當作北、上方當作東、右側當作南、下方當作西。然後把人畫在十字線的交點,相當於人站在十字線和橢圓所圍起來的地面。

圖1-59 繪製恆星運行的立體軌跡一。(A)畫出人站的地面及方位(B)畫出子午線。(修改自泰宇版地球科學教科書)

然後,我們從代表北方的十字線端點,畫一條弧線,通過人的正上方,連到代表南方的另一個十字線端點。這條現相當於從正北方地面,經過天頂,最後延伸到南方地面的子午線(如圖1-59B)。

現在,我們將剛剛在網格上描繪的恆星位置,標示到這個要繪製立體軌跡的圖上。

首先,恆星是從正東方升起,我們可以在地面十字線的東邊端點,標示恆星的第一個位置A1(圖1-60A)。當恆星到達最高點時,應該是在頭頂偏南的方向。此時我們將恆星標示在子午線這條線上,在頭頂偏向南邊一點標示B1。最後,恆星應該是落入正西方的地面,我們就在地面十字線的西邊端點標示恆星位置C1。最後的最後,我們只要把恆星的3個位置依序連線(直線或弧線都可以),就是恆星運行的立體軌跡了(圖1-60B)。

圖1-60 繪製恆星運行的立體軌跡二。(A)將圖1-58上恆星的位置標示在立體軌跡圖上(B)將不同時間的恆星位置連線,形成立體的恆星運行軌跡。(修改自泰宇版地球科學教科書)

如果同學已經能夠順利畫出一顆恆星運行的立體軌跡,請同學繼續用星象模擬軟體,另外找一顆由東北方升起的恆星(例如圖1-61的織女星)。比照前面的步驟,在網格(圖1-62)上標示恆星升起時在地面的位置、到達最高點時位在子午線上的位置,以及落入靠近西方地面時的位置。同學可以自行操作Stellarium,或是觀察圖1-61織女星的位置變化。

圖1-61A 織女星(藍色箭頭所指)在不同時間的位置。(網頁版Stellarium畫面)
圖1-61B 織女星(藍色箭頭所指)在不同時間的位置。(網頁版Stellarium畫面)
圖1-61C 織女星(藍色箭頭所指)在不同時間的位置。(網頁版Stellarium畫面)
圖1-62 織女星在空中的位置變化(淺藍色圓點)。圖中A2、B2、C2分別對應圖1-61 A、B、C中織女星在空中的位置。圖中紅色星星代表北極星的位置,接近天北極的位置。

最後,我們將這個恆星的三個位置變化,畫成立體的軌跡,同時將天北極(北極星)的位置也標示在圖上(圖1-63)。

圖1-63 繪製恆星運行的立體軌跡三。將圖1-62上恆星的位置A2、B2、C2標示在立體軌跡圖上,並將不同時間的恆星位置連線,形成立體的恆星運行軌跡。圖中紅色星星為北極星,接近天北極的位置。(修改自泰宇版地球科學教科書)

觀察兩顆不同恆星(例如獵戶座腰帶的恆星和織女星)的運行軌跡之後可以發現,這些恆星運行軌跡似乎是互相平行,運行軌跡和地面的夾角幾乎一致。面向北方時,天上的恆星看起來是繞行天北極運行。觀察恆星運行的立體軌跡時,可以發現恆星繞行的軸心,是天北極和觀測者之間的連線。這些都是我們生活在臺灣地區(大約北緯24°)時,所能夠看見恆星的周日運動和運行軌跡。

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