离开了天狼星,让我们前往这场银河系之旅的第三站:与我们相距433光年的北极星。
如果说天狼星是夜空中最亮的星,那么北极星就是夜空中最有名的星了。它之所以会如此有名,主要是因为它占据了夜空中的一个非常特殊的位置。为了说清楚这个位置到底特殊在哪里,让我先从地球的自转讲起。
众所周知,地球一直都在做两种运动:公转和自转。下面这张图就展示了地球公转和自转的情况。我们在太阳系之旅中讲过,地球一直在一个固定的平面中绕太阳公转,这个平面就是黄道面。此外,由于自转,地球本身也鼓起了一个赤道;把赤道向太空中无限延伸,所得到的平面就是赤道面。需要强调的是,黄道面和赤道面并不重合,两者之间存在着一个23.4°的夹角
事实上,正是地球公转带来了四季变迁,正是地球自转带来了日夜交替。
除此此外,由于地球的自转,天上那些星辰的位置也会不断地发生改变。这就像是你在一个房间里不停地转圈,会看到房间里各种家具的位置在不断变化一样。当然,并非所有家具的位置都会发生改变。比如说,位于你头顶正上方的吊灯的位置就始终固定不变。同样的道理,位于地球“头顶正上方”(科学的说法是“北天极”,也就是地球自转轴与天球在北方的交点)的天体,其位置也不会随地球自转而发生改变。而与北天极最接近的天体(它和地球的连线,与地球自转轴构成了一个夹角,其大小还不到1°),就是我们要游览的北极星。
换句话说,如果把天球想象成一个巨大的房间,北极星就是这个房间正上方的吊灯。
正因为如此,我们经常可以看到如下图所示的一些延时天文摄影作品:其他所有的天体,都在沿那些同心圆的轨道运动。只有北极星,几乎一动不动地静止在这些同心圆的中心,宛如一个一直占据舞台C位的天皇巨星。
现在问题来了:北极星能永远高高在上、一直霸占北天极这个特殊的位置吗?答案是否定的。
最早意识到北极星不会永远占据夜空C位的人,是我们的老朋友、古希腊著名天文学家喜帕恰斯。
尽管贵为三角学之父,喜帕恰斯的生平经历早已消失在历史的迷雾中。现在人们只知道,他出生在小亚细亚半岛的尼西亚(位于土耳其境内),后来长期定居在希腊的罗德岛。从公元前162年到公元前127年之间,他一直在进行天文观测。除此以外,人们对喜帕恰斯就几乎一无所知了。
据说,喜帕恰斯至少写过14本书,不过一本也没能流传下来。可能有些读者会奇怪了:“这么一个虚无缥缈、几乎什么经历都无据可考的人,为什么能获得如此之大的名声呢?”答案是,他的科学贡献被写进了一本划时代的天文学巨著,那就是我们在游览太阳系时介绍过的托勒密的《至大论》。
根据《至大论》的记载,在公元前127年,喜帕恰斯做出了一个非常重大的发现,那就是著名的岁差。
为了介绍什么是岁差,让我们先回顾一下在太阳系之旅中讲过的天球的概念。从古至今,地球一直在同一个平面内绕太阳公转,这就是所谓的黄道面。此外,我们可以把整个夜空想象成一个巨大的球面,也就是所谓的天球。把黄道面无限延伸,最终会与天球相交成一个圆(即下图中那个红色的圆)。在地球上看来,这个圆就是太阳在天球上运动的轨迹,也就是所谓的黄道。
正如我们可以用经度和纬度来标记地球表面任意一点的坐标,我们也可以用黄经和黄纬来标记天球上任意一点的坐标。这意味着,天上的所有天体,都有一个属于自己的、用黄经和黄纬来标记的天球坐标。
公元前127年,喜帕恰斯测出了黄道附近的1000多颗恒星的黄经和黄纬,并把他的测量结果与前人的测量结果进行了对比。喜帕恰斯惊讶地发现,这些恒星的黄纬没有发生改变,但它们的黄经却向西发生了整体性的偏移(与太阳在黄道上的运动方向相反)。据此,喜帕恰斯推测每年的昼夜平分点(黄道上的两个白天和黑夜均为12小时的位置,也就是春分点和秋分点)会在黄道上向西移动,大概100年会移动1°。这个地球的昼夜平分点在黄道上整体偏移的现象,就是所谓的岁差。
顺便多说一句。在《至大论》中,托勒密对喜帕恰斯的研究进行了拓展,证明了岁差不光影响靠近黄道的那些星星,还会影响天上所有的天体。
但无论是喜帕恰斯还是托勒密,都只是单纯地发现了岁差现象,而无法解释发生这个现象的原因。事实上,这是一个远远超越他们那个时代的超级难题。要再过1800年,也就是要一直等到17世纪末,才会有一个更伟大的科学家在一本更伟大的巨著里解释岁差的奥秘。此人就是我们的老朋友艾萨克•牛顿爵士。当然,那本巨著就是我们在太阳系之旅中介绍过的《自然哲学的数学原理》。
地球自转轴进动的另一个重要影响,就是我们前面提到过的“北极星不会永远占据夜空的C位”。换句话说,随着地球自转轴的进动,能够占据北天极这个特殊位置的“北极星”也会不断变换。不过与陀螺不同的是,地球自转轴进动的速度非常慢。根据目前的天文观测,北天极大概要花77年才会移动1°。换句话说,大概要花25770年的时间,地球的自转轴才能够转上一圈。也就是说,尽管地球的北天极有朝一日会偏离北极星,只要再等上将近26000年的岁月,它还会重新回到北极星的身旁。
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