天球座標系統簡介 – 我的科博館筆記

為了描述天上星體的位置，我們在天空中建立了類似地球經緯度的座標系統。

從地球表面往天空仰望，除了太陽系的太陽、行星與其他天體距離地球比較近之外，夜空中其他的星辰都距離地球非常非常遙遠。所以這些星體並不是固定不動，而是地球人的壽命實在太短暫，在幾百年到幾千年的時間裡，不容易發現天上的星體位置發生改變，於是這些星體被取名叫做恆星。但恆星並不是固定在天上不會移動，而是當地球自轉的時候，看起來天上所有的恆星都同時會往返方向移動。換句話說，恆星不是指他們位在天上的位置恆久不動，而是指他們之間相對的位置看起來沒有變化。

就像我們站直身子時，用身體當轉軸（下圖一，白色虛線），旋轉自己的身體（下圖一，白色箭頭方向），此時就會發現身邊的景物看起來好像在反方向繞著自己轉圈圈（下圖一，紅色箭頭），這就是當地球自轉時，地球人看見星星反方向繞著地球運行的原因。因此古人把星空想像成一個圓球面，繞行著我們生活的地方不停運轉，這就是中國古代的渾天說，與近代西方所提出「天球」的概念類似。

漢代張衡曾經發明「水運渾象」，就是把天上的恆星點在一個圓球表面，讓圓球以接近地球自轉的速度轉動，於是渾象就可以模擬天上星星的運行。這個設計後來被北宋時期的蘇頌所參考利用，結合水運儀象台準確的轉動速度，完美呈現與真實天空相符合的天體運行（下圖二）。目前這個渾象可以在中國科學與技術展示廳前方的水運儀象台看見，不過要先爬上人類文化廳的二樓才看得到。

若是以我們的身體當作轉軸來比擬，那就相當於地球的自轉軸。周圍的景物看起來繞圈的中心，也就是這個轉軸。如果我們仰望頭頂，可以發現轉軸指向天空的那個頂點，就是所有景物繞圈的中心。這個地球自轉軸穿過地球北極指向天空的位置被稱為天球北極，也就是中國古代所稱的天極，位在今天北極星（宋、元時期的勾陳一）附近。南半球的天空同樣有個旋轉中心，是從地球自轉軸通過南極往天空延伸的方向，稱為天球南極。而地球赤道往天空延伸到天球上就是天球赤道（下圖三）。

圖三宇宙中距離地球遙遠的其他星體，可以描繪在想像的天球表面，天球中心則是地球。描繪在天球表面的星體（如圖中右上角A、B、C、D），實際上與地球的距離其實相當遠，而且星體彼此之間的距離也不相同。

因此，天球上的座標系統採用與地球表面座標系統類似的規範，例如地球北極的緯度是北緯90度，天球北極在天球上的緯度為赤緯＋90度；地球赤道的緯度為0度，天球赤道為赤緯0度；地球南極的緯度為南緯90度，天球南極則為赤緯－90度。地球與天球的差別在於地球以北緯和南緯來區別不同半球，天球則以赤緯＋和－來區分天球的北、南半球（下圖四）。

天球上同樣有經度的規範，稱為赤經。地球上的經度是以英國格林威治天文臺所在的位置訂為經度0度，以東為東經0度到180度，以西為西經0度到180度。但是因為地球會自轉，所以格林威治天文臺對應到天空的位置會發生改變，不能以此為基準。因此天球上的赤經是以黃道和天球赤道的其中一個交點－春分點當作赤經的基準，以時（h）、分（m）、秒（s）當作單位，往東計算。例如春分點往東15度的赤經就是1h、30度就是2h，依此類推（上圖四）。

由於地球繞行太陽的週期是一年，所以在一年的期間中，太陽看起來會在宇宙中繞行一圈的軌跡，就稱為黃道。由於地球自轉軸和黃道法線方向的夾角為23.5度，因此天球赤道與黃道的夾角也是23.5度。天球赤道與黃道在一年之中會有二次交會，時間分別是春分點和秋分點（圖五）。