В астрономии и навигации небесная сфера — это абстрактная сфера , имеющая произвольно большой радиус и концентрическая с Землей . Все объекты на небе можно представить как проецирующиеся на внутреннюю поверхность небесной сферы, которая может быть центрирована на Земле или наблюдателе. Если центрировать ее на наблюдателе, половина сферы будет напоминать полусферический экран над местом наблюдения.
Небесная сфера — концептуальный инструмент, используемый в сферической астрономии для указания 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 столь удаленных расстояниях, случайное наблюдение за небом не дает никакой информации об их реальных расстояниях. Все небесные объекты кажутся одинаково далекими , как будто они закреплены на внутренней стороне сферы с большим, но неизвестным радиусом, [1] которая, по-видимому, вращается на запад над головой; в то же время Земля под ногами, кажется, остается неподвижной. Для целей сферической астрономии , которая занимается только направлениями на небесные объекты, не имеет значения, так ли это на самом деле или вращается Земля, в то время как небесная сфера неподвижна.
Небесную сферу можно считать бесконечной по радиусу . Это означает, что любая точка внутри нее, включая ту, которую занимает наблюдатель, может считаться центром . Это также означает, что все параллельные линии , будь они в миллиметрах друг от друга или через Солнечную систему друг от друга, будут казаться пересекающими сферу в одной точке, аналогичной точке схода графической перспективы . [2] Все параллельные плоскости будут казаться пересекающими сферу по совпадающему большому кругу [3] («исчезающему кругу»).
Наоборот, наблюдатели, смотрящие в одну и ту же точку на небесной сфере бесконечного радиуса, будут смотреть вдоль параллельных линий, а наблюдатели, смотрящие в сторону одного и того же большого круга, вдоль параллельных плоскостей. На небесной сфере бесконечного радиуса все наблюдатели видят одни и те же вещи в одном и том же направлении.
Для некоторых объектов это слишком упрощено. Объекты, которые находятся относительно близко к наблюдателю (например, Луна ), будут казаться меняющими 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 любом другом удобном месте, и смещения от положений, относящихся к этим центрам, можно вычислить. [4]
Таким образом, астрономы могут предсказывать геоцентрические или гелиоцентрические положения объектов на небесной сфере, без необходимости расчета индивидуальной геометрии любого конкретного наблюдателя, и полезность небесной сферы сохраняется. Отдельные наблюдатели могут вычислять свои собственные небольшие смещения от средних положений, если это необходимо. Во многих случаях в астрономии смещения незначительны.
Небесную сферу можно, таким образом, рассматривать как своего рода астрономическую стенографию , и она очень часто применяется астрономами. Например, в Астрономическом альманахе за 2010 год указано видимое геоцентрическое положение Луны на 1 января в 00:00:00.00 по земному времени в экваториальных координатах : прямое восхождение 6 ч 57 м 48,86 с , склонение +23° 30' 05,5". Подразумевается, что это положение 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, видимое из центра Земли, является достаточным.
Для приложений, требующих точности (например, расчет пути тени затмения ) , Альманах дает формулы и методы расчета топоцентрических координат, то есть координат, видимых с 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.
Небесные сферы (или небесные шары) изначально представлялись совершенными и божественными сущностями греческими астрономами, такими как Аристотель . Он составил набор принципов, называемых аристотелевской физикой , которые описали естественный порядок и структуру мира. Как и другие греческие астрономы, Аристотель также считал «...небесную сферу системой отсчета для своих геометрических теорий движения небесных тел». [6] Приняв теорию Евдокса Книдского , Аристотель описал небесные тела внутри Небесной сферы как наполненные чистотой, совершенством и квинтэссенцией (пятый элемент, который, как известно, был божественным и чистым согласно Аристотелю). Аристотель считал Солнце, Луну, планеты и неподвижные звезды идеальными 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. Аристотель считал, что небесные сферы должны демонстрировать небесное движение (совершенное круговое движение), которое продолжается вечно. Он также утверждал, что поведение и свойство строго следуют принципу естественного места, где квинтэссенция элемента движется свободно по божественной воле, в то время как другие элементы, огонь, воздух, вода и земля, являются тленными, подверженными изменениям и несовершенству. Ключевые концепции Аристотеля опираются на природу пяти элементов, различающих Землю и Небеса в астрономической реальности, принимая модель отдельных сфер Евдокса.
Многочисленные открытия Аристотеля и Евдокса (примерно 395 г. до н. э. — 337 г. до н. э.) вызвали различия в обеих их моделях и одновременное наличие схожих свойств. Аристотель и Евдокс утверждали два разных количества сфер на небесах. По словам Евдокса, на небесах было всего 27 сфер, в то время как в модели Аристотеля их было 55. Евдокс попытался построить свою модель математически на основе трактата, известного как « О скоростях» ( греч . Περί Ταχών ), и утверждал, что форма гиппопеда или лемнискаты связана с планетарным ретрогрессом . Аристотель подчеркивал, что скорость небесных сфер неизменна, как и небеса, в то время как Евдокс подчеркивал, что сферы имеют идеальную геометрическую форму. Сферы Евдокса создавали нежелательные движения в нижней области планет, в то время как Аристотель ввел разворачиватели между каждым набором активных сфер, чтобы противодействовать движениям внешнего набора, иначе внешние движения будут переданы внешним планетам. Аристотель позже наблюдал "...движения планет, используя комбинации вложенных сфер и круговых движений творческими способами, но дальнейшие наблюдения продолжали сводить на нет их работу". [7]
Помимо Аристотеля и Евдокса, Эмпедокл дал объяснение, что движение небес, движущихся вокруг него с божественной (относительно высокой) скоростью, ставит Землю в неподвижное положение из-за кругового движения, препятствующего движению вниз по естественным причинам. Аристотель критиковал модель Эмпедокла, утверждая, что все тяжелые предметы движутся к Земле, а не сам вихрь идет к Земле. Он высмеял ее и заявил, что утверждение Эмпедокла было крайне абсурдным. Все, что бросало вызов движению естественного места и неизменным небесам (включая небесные сферы), немедленно подвергалось критике Аристотеля.
Эти концепции важны для понимания небесных систем координат , рамок для измерения положений объектов на небе . Определенные опорные линии и плоскости на Земле, проецируемые на небесную сферу, образуют основания систем отсчета. К ним относятся экватор Земли , ось и орбита . В своих пересечениях с небесной сферой они образуют небесный экватор , северный и южный небесные полюса 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 .
Из этих базисов направления на объекты в небе могут быть количественно определены путем построения небесных систем координат. Подобно географической долготе и широте , экваториальная система координат определяет положения относительно небесного экватора и небесных полюсов, используя прямое восхождение и склонение. Эклиптическая система координат определяет положения относительно эклиптики ( орбиты Земли ), используя эклиптическую долготу и широту . Помимо экваториальной и эклиптической систем, некоторые другие небесные системы координат, такие как галактическая система координат , более подходят для определенных целей.
Древние греки приняли буквальную истину звезд, прикрепленных к небесной сфере, вращающихся вокруг Земли за один день, и неподвижную Землю. [9] Планетарная модель Евдокса , на которой основывались модели Аристотеля и Птолемея , была первым геометрическим объяснением «блуждания» классических планет . [10] Считалось , что самые внешние из этих «хрустальных сфер» несут неподвижные звезды . Евдокс использовал 27 концентрических сферических тел, чтобы ответить на вызов Платона : «Предположением каких равномерных и упорядоченных движений можно объяснить видимые движения планет?» [11] Анаксагор в середине V века до н. э. был первым известным философом, предположившим, что звезды были «огненными камнями», слишком далекими, чтобы их тепло ощущалось. Похожие идеи высказывал Аристарх Самосский . Однако они не вошли в общепринятую европейскую и исламскую астрономию позднего античного и средневекового периода. Гелиоцентризм Коперника покончил с планетарными сферами, но он не обязательно исключал существование сферы для неподвижных звезд. Первым астрономом европейского Возрождения, предположившим, что звезды были далекими солнцами, был Джордано Бруно в своем труде De l'infinito universo et mondi (1584). Эта идея была среди обвинений, хотя и не в видном положении, выдвинутых против него инквизицией. Идея стала общепринятой в конце 17 века, особенно после публикации « Бесед о множественности миров» Бернара Ле Бовье де Фонтенеля (1686), и к началу 18 века она стала рабочим предположением по умолчанию в звездной астрономии.
Небесная сфера может также относиться к физической модели небесной сферы или небесного глобуса. Такие глобусы отображают созвездия на внешней стороне сферы, что приводит к зеркальному отображению созвездий, видимых с Земли. Самый старый сохранившийся пример такого артефакта — глобус скульптуры Атланта Фарнезе , копия II века более старой ( эллинистический период , около 120 г. до н. э.) работы.
Наблюдатели в других мирах, конечно, увидели бы объекты в этом небе при тех же самых условиях – как если бы они были спроецированы на купол. Можно было бы построить системы координат, основанные на небе этого мира. Они могли бы быть основаны на эквивалентной «эклиптике», полюсах и экваторе, хотя причины построения системы таким образом являются как историческими, так и техническими.
Сферическая астрономия Шовене., стр. 19, в Google Books.
practical astronomy., ст. 2, стр. 5, в Google Книгах.
