蘇州石刻天文圖是南宋黃裳要教太子天文學的時候所畫,後來由王致遠撰寫文字和刻成石碑的工作(西元1247年)。以教學的功能來說,黃裳的天文圖確實好用。即使現代的星座盤(圖一),都還是以相同的投影方式在呈現天上的星辰位置。
天文圖代表的是全天的星空,但是地球人同一時間只能看見一半的天空,因為另一半被腳下的地球給擋住了看不到。所以星座盤都會有個上蓋,先把看不見的星空遮住,露出特定時刻的天空星圖。
假設某個時刻的天空像圖二的範圍一樣,要觀測的目標是那顆紅色的星星。我們可以先根據東南西北的方位,判斷紅色星星此時的方位(大約是在東南方向),然後以極軸轉動簡儀上的四游雙環就可以,轉動的角度是讀百刻環上的刻度。
方位調整好之後,再觀察紅色星星和北極星(圖三,白色十字)之間的夾角。北極星到赤道(圖三,紅色圓圈)的夾角是90度,可以依此推算圖中北極星到紅色星星的夾角大約60度左右。此時可以轉動窺衡,並在四游雙環的刻度上確認轉動的角度。
這樣就可以利用天文圖來找到想要觀測的星星。
至於怎樣知道此時此刻的星空範圍在哪裡呢?這要從天文圖上那個一直沒提到的圓圈,黃道開始講起。
還記得我們一開始說,因為地球自轉,所以全天空的星星看起來都在繞著我們轉,包括太陽每日東昇西落也是相同的原理。但地球每天還會繞著太陽公轉,每年繞一圈,這會怎樣影響星星看起來的運行呢?答案是不會影響。因為其他星星離我們實在太遠,想想我們在原地轉圈的時候,即使腳步有點移動,也看不出周圍景物有什麼不同一樣。
但太陽就不一樣了,太陽會因為地球的公轉,除了每天東昇西落之外,太陽在群星之中的位置也會改變(圖四)。如果畫在天文圖上,就是會走個圓形的軌跡,每365.25天繞行一圈(圖五,黃色虛線圓圈)。
這也是為什麼中國把一圈定為365.25古度的原因。
換句話說,我們可以從天文圖上的黃道,先找到觀測日期的太陽位置,就可以推算當下頭頂星空的範圍。中國古代是以二十四節氣來標示太陽與地球的相對位置關係,我把黃道上對應的四個主要節氣標示在圖五上,其餘節氣就可以從這四個節氣之間的角度再進行等分。
至於為什麼我知道這四個節氣對應在黃道這四個位置,說來有點話長,這裡先偷懶跳過。
以冬至當天的正午來說,正午當時的星空應該是像圖六的範圍。此時太陽的位置會在正南方向的天空中,而且角度很低(因為是冬至)。大家請不要吐槽說「大白天怎麼會有星星在天上?」真的有啦,只是這時候太陽太亮,看不見其他星星而已。
接下來,隨著時間前進,星空的範圍會往順時針方向轉動,每小時15度(地球自轉的速度)。太陽看起來也漸漸往西邊前進,一直到沒入地底下。所以冬至當天半夜,星空的範圍就會和正午當時正好相反(圖七),而這一側的星空才是真正冬至當天可以看見的星空,不是白天有太陽那邊。
不過老實說,中國古代天文官根本就不會把天文圖拿來當星座盤。大家還記得這張蘇州石刻天文圖最初的目的是拿來幹嘛的嗎?是幫天子上天文課用的。所以天文圖一般多是用在演示或教學,真正的天文官觀測,早就把天文圖都印在腦海裡,其實是不需要再查閱的了。
補充 用方位和仰角進行觀察
比照一般星座盤的使用方式,如果我們在可以看見星空的天空視野範圍,套用方位和仰角的網格(圖補一),就可以利用簡儀的立運環來調整觀測角度。