天文動手做-觀測活動（10）觀察北方天空恒星的視運動

◎文圖 中國科學院國家天文臺 郭紅鋒

天文動手做-觀測活動（10）觀察北方天空恒星的視運動

◎文圖 中國科學院國家天文臺 郭紅鋒

我們曾經在2017年第7期里介紹過觀察恒星的視運動，那里舉的例子是站在北半球中緯度地區（例如北緯40°），面對南方，觀察南面天空中的星座。看上去位于南面天空中的星星跟太陽一樣東升西落，視運動的軌跡也是傾斜的半圓，從東到南再到西。這一期我們要帶同學們（仍然是在北半球中緯度地區，例如北緯40°），轉身面對北方，觀察北面天空中星座的周日視運動。

一、地球某地可觀測的星空范圍

在觀察之前，我們要給同學們講清楚一個觀察星空的常識：由于地球在自轉，所以同緯度上的人們觀察到的星空的范圍是一樣的（只是時間不同而已）；但由于地球是球形的，所以站在不同緯度上的觀察者能夠看到天空中的星星的范圍就不同了。那么在地球上不同緯度的人，可以看到多大范圍的天空呢？為了后面的計算方便，我們把赤道的緯度規定為0度，赤道以北到北極點的緯度是0度～+90度，赤道以南到南極點的緯度是0度～-90度（也就是南半球的緯度是負的）。

現在假如某人站在北半球地理緯度為Φ的地方（參考圖1-1，圖中O點表示地心，NOS表示極軸，AB是觀察者所在地平線，A＇OB＇是觀察者所在地平線的平行線，COD是AB的垂線。通過天頂，A〞OB〞與A〞OB〞相對于地軸是對稱的，也就是角A＇ON=A〞ON=B＇ON=B〞ON）。那么理想情況下，站在北半球地理緯度為Φ的觀察者可以看到當地地平線以上的星空，就是從-（90-Φ）度以上的星空；又由于地球的自轉軸是通過南北極的極軸，所以我們能夠看到的星空實際上是B＇ON這個扇面沿極軸轉動的星空，用緯度表示就是-（90-Φ）度～90度，其中A＇OA"這個角度范圍的星空是重疊的（圖1-1中紅色部分對應的星空），也就是在這個范圍里的星星永不落下；同樣道理，圖中B＇OB〞這個角度范圍的星空是不可見的（圖1-1中綠色部分對應的星空），也就是在這個范圍里的星星永不升起。如果在北極就只能看到0度～+90度的星空了（見圖1-2），在赤道上則可以看到-90度～+90度的全部星空（見圖1-3）。

圖1-1 北半球某地天空可觀測范圍

圖1-2 北極天空可觀測范圍

圖1-3 赤道天空可觀測范圍

二、觀察北天星空的旋轉

在北半球中緯度地區觀察北面天空（面朝北方，左手方向為西，右手方向為東）星座的周日視運動，最顯著的莫過于大熊、小熊、仙王、仙后圍繞北極星的旋轉舞了。那些著名的星座和數不盡的大大小小的星星，它們好像手牽著手組成一些固定的陣列。它們既嚴格保持著隊形，又不停地圍繞一個中心轉動，此上彼下，此起彼伏，儼然在表演一場旋轉明星秀。即使在有光污染的城市里，在比較晴朗的夜空也能看見北斗七星、北極星和仙后座。

同學們可以在一個晴朗的夜晚里連續觀察這些比較亮的星和星座的運動，例如從天黑開始觀察，每小時記錄一次星座的方位（參考地面參照物），到午夜或者在后半夜，你就會發現北斗七星和仙后座的方位在天空中發生了很大的變化。圖2是2014年10月2日，同學們在河北懷來的觀察記錄。晚7點多北斗七星在西北邊較高的位置，斗柄朝上（西北），仙后座在東北邊較高的位置；到晚上10點多北斗七星就在西北地平線附近了，斗柄朝西，這時仙后座升到東北方離頭頂很近，需要仰視才能看到的位置；到凌晨2點左右北斗七星又轉到東北地平線附近了，斗柄朝西南，仙后座在西北方離頭頂較近的位置；凌晨4點多北斗七星已經升到東北較高的位置了，斗柄朝下（南），仙后座在西北方離頭頂偏下。

圖2 北斗七星與仙后座圍繞北極星旋轉

圖3 群星圍繞北極旋轉及永不落下星空的范圍

原來星座也如白天的太陽一樣東升西落，它們旋轉的中心是北極（北極星離北極只有半度，所以我們肉眼看不出北極星的轉動）。那些離北極比較近的星座，例如北斗七星所在的大熊座，北極星所在的小熊座，以及仙后座、仙王座等，都是在旋轉中永不落下的星座，這就如同我們在北極圈里極晝時看到太陽永不落下是一樣的道理。而那些離北極遠一點的星座，例如天鵝座，就在天空中旋轉了一個大半圓；那些離北極比較遠的星座，例如天蝎座，就在天空中旋轉一個小半圓；那些離北極更遠的星和星座（例如全天第二亮的老人星），在北半球中緯度地區（例如北京）就如同極夜時看不見太陽一樣，永不升起。

為了檢驗群星都圍繞北極（星）轉動，同學們還可以用相機對準北極星，拍攝星空旋轉的軌跡圖，從圖上可以很明顯看出星空的旋轉和永不落下星空的范圍，見圖3。

三、觀察與記錄

1.畫圖記錄

①面對北方，找一個相對空曠的天空，使得星座在旋轉的過程中不要被山、樓房、大樹等擋住；

②確定北極星在畫面的中心（一般地面也要有一點參照物，但不要占畫面比例過大）；

③先要把星座形狀畫好，觀察時要注意星座是整體旋轉的，在旋轉中星座形狀是不變的；

④確定間隔時間，一般1～2小時以內，例如晚7點、8點、9點……；

⑤在觀察時間點，畫出各星座在天空中的方位，參考圖2。

同學們做觀察一定要同時做記錄，可以畫圖記錄（如圖2），也可以拍照記錄（如圖3）。

2.拍照記錄

①準備單反相機，三腳架，遙控器；

②使用手動擋（M）拍攝；

③手動聚焦（MF）在無窮遠，星點銳利不模糊；

④參數ISO高（一般1600以上），光圈開口大（F值小），快門速度秒（一般4～10秒）；

⑤在自己設定的間隔時間點（例如晚7點、8點、9點）拍照，最后合成；

⑥如果連續拍照（如圖3的星空旋轉軌跡），則ISO降到幾百，光圈不變，快門曝光時間10分鐘以上（遙控器控制）。

以上拍照的參數只是參考，因為相機不同，天氣不同，時間地點等不同，以及太多的因素都會影響拍照的效果。只有不斷嘗試，獲得經驗，才能提高技能，拍出好照片。但作為觀察記錄，只要照片中能看出各間隔時段的星座方位變化就可以了。

最終的結果（包括數據、照片和背景圖標注等），請打包用附件形式發送到郵箱：chinahou@bao.ac.cn或jswzkxsn2011@126.com