Звездное время («сидерическое» произносится как / s aɪ ˈ d ɪər i əl , s ə -/ sy- DEER -ee-əl , sə- ) — это система отсчёта времени, используемая в основном астрономами . Используя звездное время и небесную систему координат , легко определить положение небесных объектов на ночном небе . Звездное время — это «шкала времени, основанная на скорости вращения Земли, измеренной относительно неподвижных звёзд ». [1]
При наблюдении с одного и того же места звезда, видимая в одном положении на небе, будет видна в том же положении другой ночью в то же время дня (или ночи), если день определяется как сидерический день (также известный как сидерический период вращения ). Это похоже на то, как время, отсчитываемое солнечными часами ( солнечное время ), может быть использовано для определения местоположения Солнца . Так же, как Солнце и Луна кажутся восходящими на востоке и заходящими на западе из-за вращения Земли, так же поступают и звезды. И солнечное, и сидерическое время используют регулярность вращения Земли вокруг ее полярной оси: солнечное время исчисляется в соответствии с положением Солнца на небе, в то время как сидерическое время приблизительно основано на положении неподвижных звезд на теоретической небесной сфере.
Точнее, звездное время — это угол, измеряемый вдоль небесного экватора , от меридиана наблюдателя до большого круга , который проходит через точку мартовского равноденствия (весеннее равноденствие северного полушария) и оба небесных полюса , и обычно выражается в часах, минутах и секундах. (В контексте звездного времени «мартовское равноденствие» или «равноденствие» или «первая точка Овна» в настоящее время является направлением от центра Земли вдоль линии, образованной пересечением экватора Земли и орбиты Земли вокруг Солнца, к созвездию Рыб; в древние времена это было направление к созвездию Овна.) [2] Обычное время на типичных часах (использующее среднее солнечное время ) измеряет немного более длинный цикл, на который влияет не только осевое вращение Земли, но и орбита Земли вокруг Солнца.
Мартовское равноденствие само по себе медленно прецессирует на запад относительно неподвижных звезд, совершая один оборот примерно за 25 800 лет, поэтому ошибочно названные «сидерические» сутки («сидерический» происходит от латинского sidus , что означает «звезда») на 0,0084 секунды короче звездных суток , фактического периода вращения Земли относительно неподвижных звезд. [3] Немного более длинный звездный период измеряется как угол вращения Земли (ERA), ранее звездный угол. [4] Увеличение ERA на 360° составляет полный оборот Земли.
Звездные сутки на Земле составляют приблизительно 86164,0905 секунды (23 ч 56 мин 4,0905 с или 23,9344696 ч). (Секунды определяются в соответствии с Международной системой единиц и их не следует путать с эфемеридными секундами .) Каждый день звездное время в любом месте и в любое время будет примерно на четыре минуты короче местного гражданского времени (которое основано на солнечном времени), так что за полный год количество звездных «дней» на один больше количества солнечных дней.
Солнечное время измеряется видимым суточным движением Солнца. Местный полдень в видимом солнечном времени — это момент, когда Солнце находится точно на юге или севере (в зависимости от широты наблюдателя и сезона). Средние солнечные сутки (то, что мы обычно измеряем как «день») — это среднее время между местными солнечными полднями («средним», поскольку оно немного меняется в течение года).
Земля совершает один оборот вокруг своей оси каждые звездные сутки; за это время она проходит небольшое расстояние (около 1°) по своей орбите вокруг Солнца. Таким образом, после того, как звездные сутки прошли, Земле все еще нужно немного повернуться, прежде чем Солнце достигнет местного полудня по солнечному времени. Таким образом, средние солнечные сутки почти на 4 минуты длиннее звездных суток.
Звезды находятся так далеко, что движение Земли по ее орбите практически не влияет на их видимое направление (за исключением ближайших звезд, если они измерены с особой точностью; см. параллакс ), и поэтому они возвращаются в свою наивысшую точку в одно и то же время каждые звездные сутки.
Другой способ понять эту разницу — заметить, что относительно звезд, если смотреть с Земли, положение Солнца в одно и то же время каждый день, по-видимому, движется вокруг Земли один раз в год. Год имеет около 36 5 .24 солнечных дней, но 36 6 .24 сидерических дней. Следовательно, солнечных дней в году на один день меньше, чем сидерических дней, что похоже на наблюдение парадокса вращения монеты . [5] Это делает сидерические сутки приблизительно 365.24/366.24 раз больше продолжительности 24-часовых солнечных суток.
Вращение Земли — это не простое вращение вокруг оси, которая всегда остается параллельной самой себе. Сама ось вращения Земли вращается вокруг второй оси, ортогональной плоскости земной орбиты, совершая полный оборот примерно за 25 800 лет. Это явление называется прецессией равноденствий . Из-за этой прецессии кажется, что звезды движутся вокруг Земли более сложным образом, чем простое постоянное вращение.
По этой причине, чтобы упростить описание ориентации Земли в астрономии и геодезии , было принято наносить на карту положения звезд на небе в соответствии с прямым восхождением и склонением , которые основаны на системе отсчета, которая следует за прецессией Земли, и отслеживать вращение Земли через звездное время также относительно этой системы. (Обычная система отсчета для целей звездных каталогов была заменена в 1998 году Международной небесной системой отсчета , которая фиксирована относительно внегалактических радиоисточников. Из-за больших расстояний эти источники не имеют заметного собственного движения . [6] ) В этой системе отсчета вращение Земли близко к постоянному, но звезды, по-видимому, вращаются медленно с периодом около 25 800 лет. Также в этой системе отсчета тропический год (или солнечный год), год, связанный с сезонами Земли, представляет собой один оборот Земли вокруг Солнца. Точное определение звездных суток — это время, необходимое для одного оборота Земли в этой прецессирующей системе отсчета.
В прошлом время измерялось путем наблюдения за звездами с помощью таких инструментов, как фотографические зенитные трубы и астролябии Данжона , а прохождение звезд через определенные линии хронометрировалось по часам обсерватории. Затем, используя прямое восхождение звезд из звездного каталога, вычислялось время, когда звезда должна была пройти через меридиан обсерватории, и вычислялась поправка ко времени, отслеживаемому часами обсерватории. Звездное время определялось таким образом, что мартовское равноденствие проходило через меридиан обсерватории в 0 часов по местному звездному времени. [7]
Начиная с 1970-х годов радиоастрономические методы сверхдлиннобазовой интерферометрии (VLBI) и пульсарная синхронизация превзошли оптические инструменты для наиболее точной астрометрии . Это привело к определению UT1 (среднего солнечного времени на долготе 0°) с использованием VLBI, новой меры угла вращения Земли и новых определений звездного времени. Эти изменения вступили в силу 1 января 2003 года. [8]
Угол вращения Земли ( ERA ) измеряет вращение Земли от начала на небесном экваторе, Небесного промежуточного начала , также называемого Небесным эфемеридным началом , [9], которое не имеет мгновенного движения вдоль экватора; первоначально его называли невращающимся началом . Эта точка находится очень близко к равноденствию J2000. [10]
ERA, измеряемая в радианах , связана с UT1 простым линейным соотношением: [3] где t U — юлианская дата UT1 (JD) минус 2451545.0. Линейный коэффициент представляет скорость вращения Земли вокруг собственной оси.
ERA заменяет Гринвичское кажущееся звездное время (GAST). Начало на небесном экваторе для GAST, называемое истинным равноденствием , действительно перемещается из-за движения экватора и эклиптики. Отсутствие движения начала ERA считается значительным преимуществом. [11]
ERA может быть преобразована в другие единицы; например, в Астрономическом альманахе за 2017 год она представлена в градусах, минутах и секундах. [12]
Например, в Астрономическом альманахе за 2017 год указано ERA на 0 часов 1 января 2017 года по всемирному координированному времени (UT1) как 100° 37′ 12,4365″. [13] Поскольку всемирное координированное время (UTC) отличается от UT1 на секунду или две, это можно использовать в качестве точки отсчета для приблизительного определения ERA для заданного гражданского времени и даты.
Хотя ERA призван заменить звездное время, необходимо сохранить определения звездного времени во время перехода и при работе со старыми данными и документами.
Подобно среднему солнечному времени, каждое место на Земле имеет свое собственное местное звездное время (LST), в зависимости от долготы точки. Поскольку невозможно опубликовать таблицы для каждой долготы, астрономические таблицы используют гринвичское звездное время (GST), которое является звездным временем на опорном меридиане IERS , менее точно называемом Гринвичским или нулевым меридианом . Существует две разновидности: среднее звездное время , если используются средний экватор и равноденствие даты, и кажущееся звездное время, если используются кажущийся экватор и равноденствие даты. Первое игнорирует эффект астрономической нутации , тогда как второе его включает. Когда выбор местоположения сочетается с выбором включения астрономической нутации или нет, получаются аббревиатуры GMST, LMST, GAST и LAST.
Следующие соотношения верны: [14]
Новые определения среднего гринвичского и кажущегося звездного времени (с 2003 года, см. выше):
так что θ — угол вращения Земли, E PREC — накопленная прецессия, а E 0 — уравнение начал, которое представляет накопленную прецессию и нутацию. [15] Расчет прецессии и нутации был описан в главе 6 Урбана и Зайдельмана.
Например, Астрономический альманах на 2017 год дал ERA в 0 ч 1 января 2017 года UT1 как 100° 37′ 12.4365″. GAST было 6 ч 43 мин 20.7109 с. Для GMST час и минута были теми же, но секунда была 21.1060. [13]
Если определенный интервал I измеряется как в среднем солнечном времени (UT1), так и в звездном времени, численное значение будет больше в звездном времени, чем в UT1, поскольку звездные сутки короче суток UT1. Соотношение равно:
таким образом, что t представляет собой число юлианских столетий, прошедших с полудня 1 января 2000 года по земному времени . [16]
Шесть из восьми солнечных планет имеют прямое вращение, то есть они вращаются более одного раза в год в том же направлении, в котором они вращаются вокруг Солнца, поэтому Солнце восходит на востоке. [17] Венера и Уран , однако, имеют ретроградное вращение. Для прямого вращения формула, связывающая длины сидерических и солнечных суток, выглядит следующим образом:
или, что эквивалентно:
При вычислении формулы для ретроградного вращения оператор знаменателя будет знаком плюс (иначе говоря, в исходной формуле продолжительность звездных суток должна трактоваться как отрицательная). Это связано с тем, что солнечные сутки короче звездных суток для ретроградного вращения, поскольку вращение планеты будет происходить против направления орбитального движения.
Если планета вращается прямолинейно, а звездные сутки точно равны орбитальному периоду, то формула выше дает бесконечно длинные солнечные сутки ( деление на ноль ). Это случай планеты с синхронным вращением ; в случае нулевого эксцентриситета одно полушарие испытывает вечный день, другое — вечную ночь, с «сумеречным поясом», разделяющим их.
Все солнечные планеты, более удаленные от Солнца, чем Земля, похожи на Землю тем, что, поскольку они совершают много оборотов за один оборот вокруг Солнца, существует лишь небольшая разница между продолжительностью сидерических суток и продолжительностью солнечных суток — отношение первых ко вторым никогда не бывает меньше отношения Земли, равного 0,997. Но ситуация совершенно иная для Меркурия и Венеры. Звездные сутки Меркурия составляют около двух третей его орбитального периода, поэтому по прямой формуле его солнечные сутки длятся два оборота вокруг Солнца — в три раза дольше его звездных суток. Венера вращается ретроградно, и звездные сутки длятся около 243,0 земных суток, или примерно в 1,08 раза больше ее орбитального периода, составляющего 224,7 земных суток; следовательно, по ретроградной формуле ее солнечные сутки составляют около 116,8 земных суток, и на орбитальный период приходится около 1,9 солнечных суток.
По соглашению периоды вращения планет указываются в сидерических единицах, если не указано иное.
