В астрономии и навигации небесная сфера — абстрактная сфера , имеющая сколь угодно большой радиус и концентричная относительно Земли . Все объекты на небе можно представить как проецируемые на внутреннюю поверхность небесной сферы, центром которой может быть Земля или наблюдатель. Если центрировать ее на наблюдателе, половина сферы будет напоминать полусферический экран над местом наблюдения.
Небесная сфера — это концептуальный инструмент, используемый в сферической астрономии для определения положения объекта на небе без учета его линейного расстояния от наблюдателя. Небесный экватор делит небесную сферу на северное и южное полушария.
Поскольку астрономические объекты находятся на таких больших расстояниях, случайное наблюдение неба не дает никакой информации об их фактическом расстоянии. Все небесные объекты кажутся одинаково далекими , как если бы они были закреплены внутри сферы с большим, но неизвестным радиусом, [1] которая , кажется, вращается на запад над головой; между тем Земля под ногами, кажется, остается неподвижной. Для целей сферической астрономии , которая занимается только направлениями на небесные объекты, не имеет значения, действительно ли это так или это Земля вращается, в то время как небесная сфера неподвижна.
Небесную сферу можно считать бесконечной по радиусу . Это означает, что любую точку внутри него, в том числе и ту, которую занимает наблюдатель, можно считать центром . Это также означает, что все параллельные линии , будь то в миллиметрах друг от друга или через Солнечную систему , будут казаться пересекающими сферу в одной точке, аналогично точке схода в графической перспективе . [2] Будет казаться, что все параллельные плоскости пересекают сферу по совпадающему большому кругу [3] («исчезающий круг»).
И наоборот, наблюдатели, смотрящие на одну и ту же точку небесной сферы бесконечного радиуса, будут смотреть вдоль параллельных линий, а наблюдатели, смотрящие на один и тот же большой круг, вдоль параллельных плоскостей. На небесной сфере бесконечного радиуса все наблюдатели видят одни и те же вещи в одном направлении.
Для некоторых объектов это слишком упрощено. Объекты, находящиеся относительно близко к наблюдателю (например, Луна ), будут казаться изменяющими свое положение относительно далекой небесной сферы, если наблюдатель переместится достаточно далеко, скажем, с одной стороны планеты Земля на другую. Этот эффект, известный как параллакс , можно представить как небольшое смещение от среднего положения. Небесную сферу можно считать центрированной в центре Земли , центре Солнца или в любом другом удобном месте, и можно рассчитать смещения от положений, относящихся к этим центрам. [4]
Таким образом, астрономы могут предсказывать геоцентрическое или гелиоцентрическое положение объектов на небесной сфере без необходимости рассчитывать индивидуальную геометрию какого-либо конкретного наблюдателя, при этом сохраняется полезность небесной сферы. При необходимости отдельные наблюдатели могут определить свои собственные небольшие отклонения от средних позиций. Во многих случаях в астрономии смещения незначительны.
Таким образом, небесную сферу можно рассматривать как своего рода астрономическую стенографию , и она очень часто применяется астрономами. Например, в Астрономическом альманахе за 2010 год указано видимое геоцентрическое положение Луны 1 января в 00:00:00.00 земного времени в экваториальных координатах : прямое восхождение 6 часов 57 м 48,86 с , склонение +23° 30' 05,5 дюйма. В этом положении подразумевается, что оно проецируется на небесную сферу; любой наблюдатель в любом месте, смотрящий в этом направлении, увидит «геоцентрическую Луну» в том же месте на фоне звезд. Для многих грубых применений (например, расчета приблизительной фазы Луны), это положение, если смотреть из центра Земли, является адекватным.
Для приложений, требующих точности (например, расчет траектории тени затмения ) , Альманах дает формулы и методы расчета топоцентрических координат, то есть того, как видно из определенного места на поверхности Земли, на основе геоцентрического положения. [5] Это значительно сокращает количество деталей, необходимых в таких альманахах, поскольку каждый наблюдатель может учитывать свои собственные конкретные обстоятельства.
Первоначально греческие астрономы, такие как Аристотель , считали небесные сферы (или небесные шары) совершенными и божественными сущностями . Он составил набор принципов, названных аристотелевской физикой , которые обрисовали естественный порядок и структуру мира. Как и другие греческие астрономы, Аристотель также рассматривал «... небесную сферу как систему отсчета для своих геометрических теорий движения небесных тел». [6] Приняв теорию Евдокса Книдского , Аристотель описал небесные тела в Небесной сфере как наполненные чистотой, совершенством и квинтэссенцией (пятый элемент, который, как известно, был божественным и чистотой, согласно Аристотелю). Аристотель считал Солнце, Луну, планеты и неподвижные звезды совершенно концентрическими сферами в надлунной области над подлунной сферой . Аристотель утверждал, что эти тела (в надлунной области) совершенны и не могут быть испорчены ни одним из классических элементов : огнем, водой, воздухом и землей. Тленные элементы содержались только в подлунной области, а нетленные элементы находились в надлунной области геоцентрической модели Аристотеля. У Аристотеля было представление о том, что небесные светила должны совершать небесное движение (идеальное круговое движение), продолжающееся вечно. Он также утверждал, что поведение и собственность строго следуют принципу естественного места, где квинтэссенция элемента перемещается свободно по божественной воле, в то время как другие элементы, огонь, воздух, вода и земля, тленны, подвержены изменениям и несовершенству. Ключевые концепции Аристотеля опираются на природу пяти элементов, различающих Землю и Небеса в астрономической реальности, используя модель отдельных сфер Евдокса.
Многочисленные открытия Аристотеля и Евдокса (приблизительно 395–337 гг. До н. э.) вызвали различия в обеих их моделях и одновременно имели схожие свойства. Аристотель и Евдокс утверждали два разных количества сфер на небесах. По мнению Евдокса, на небе было всего 27 сфер, тогда как в модели Аристотеля их 55. Евдокс попытался построить свою модель математически на основе трактата, известного как «О скоростях» ( греч . Περί Ταχών ), и утверждал, что форма гиппопеда или лемнискаты была связана с планетарной регрессией . Аристотель подчеркивал, что скорость небесных светил неизменна, как и небо, а Евдокс подчеркивал, что небесные тела имеют идеальную геометрическую форму. Сферы Евдокса вызывали бы нежелательные движения в нижнюю область планет, в то время как Аристотель ввел развертыватели между каждым набором активных сфер, чтобы противодействовать движениям внешнего набора, иначе внешние движения будут переданы на внешние планеты. Позже Аристотель наблюдал «...движения планет, творчески используя комбинации вложенных сфер и круговых движений, но дальнейшие наблюдения продолжали сводить на нет их работу». [7]
Помимо Аристотеля и Евдокса, Эмпедокл дал объяснение, что движение небес, движущихся вокруг них с божественной (относительно высокой) скоростью, приводит Землю в неподвижное положение благодаря круговому движению , препятствующему движению вниз по естественным причинам. Аристотель раскритиковал модель Эмпедокла, утверждая, что все тяжелые объекты направляются к Земле, а не сам вихрь, приближающийся к Земле. Он высмеял это и заявил, что заявление Эмпедокла крайне абсурдно. Все, что противоречило движению естественного места и неизменному небу (включая небесные сферы), немедленно подвергалось критике со стороны Аристотеля.
Эти понятия важны для понимания небесных систем координат , рамок для измерения положения объектов на небе . Определенные опорные линии и плоскости на Земле, проецированные на небесную сферу, образуют основы систем отсчета. К ним относятся экватор , ось и орбита Земли . В местах пересечения с небесной сферой они образуют небесный экватор , северный и южный полюса мира и эклиптику соответственно. [8] Поскольку небесная сфера считается произвольной или бесконечной по радиусу, все наблюдатели видят небесный экватор, небесные полюса и эклиптику в одном и том же месте на фоне звезд .
На основании этих баз можно определить количественно направления к объектам в небе, построив небесные системы координат. Подобно географической долготе и широте , экваториальная система координат определяет положение относительно небесного экватора и небесных полюсов, используя прямое восхождение и склонение. Система координат эклиптики определяет положения относительно эклиптики ( орбиты Земли ) с использованием эклиптической долготы и широты . Помимо экваториальной и эклиптической систем, для определенных целей более подходят некоторые другие небесные системы координат, такие как галактическая система координат .
Древние предполагали буквальную истину о звездах, прикрепленных к небесной сфере, вращающихся вокруг Земли за один день, и о неподвижной Земле. [9] Евдоксова планетарная модель , на которой основывались модели Аристотеля и Птолемея , была первым геометрическим объяснением «блуждания» классических планет . [10] Считалось, что на самой внешней из этих «хрустальных сфер» находятся неподвижные звезды . Евдокс использовал 27 концентрических сферических тел, чтобы ответить на вопрос Платона : «На основании предположения о том, какими равномерными и упорядоченными движениями можно объяснить кажущиеся движения планет?» [11] Анаксагор в середине V века до нашей эры был первым известным философом, который предположил, что звезды — это «огненные камни», расположенные слишком далеко, чтобы их тепло можно было почувствовать. Аналогичные идеи высказывал Аристарх Самосский . Однако они не вошли в основную астрономию позднеантичного и средневекового периода. Коперниканский гелиоцентризм покончил с планетарными сферами, но не обязательно исключал существование сфер для неподвижных звезд. Первым астрономом европейского Возрождения, предположившим, что звезды являются далекими солнцами, был Джордано Бруно в своей работе «De l'infinito universo et mondi» (1584). Эта идея была среди обвинений, хотя и не на видном месте, выдвинутых против него инквизицией. Эта идея стала основной в конце 17 века, особенно после публикации Бернара Ле Бовье де Фонтенеля «Беседы о множественности миров» (1686), а к началу 18 века это было стандартное рабочее предположение в звездной астрономии.
Небесная сфера также может относиться к физической модели небесной сферы или небесного глобуса. Такие глобусы отображают созвездия на внешней стороне сферы, в результате чего получается зеркальное изображение созвездий, видимых с Земли. Самым старым сохранившимся примером такого артефакта является глобус скульптуры Фарнезе Атласа , копия более старой ( эллинистического периода , около 120 г. до н.э.) работы II века.
Наблюдатели в других мирах, конечно, видели бы объекты в этом небе почти в тех же условиях – как если бы они были проецированы на купол. Могут быть построены системы координат, основанные на небе этого мира. Они могли бы быть основаны на эквивалентной «эклиптике», полюсах и экваторе, хотя причины построения такой системы являются как историческими, так и техническими.
Шовене сферическая астрономия., п. 19, в книгах Google.
практическая астрономия., искусство. 2, с. 5, в книгах Google.
