Небесная сфера -Celestial sphere

Чтобы узнать о древней космологической модели, см. Небесные сферы . Чтобы узнать о других значениях, см. Небесный (значения) .
Земля вращается внутри геоцентрической небесной сферы относительно малого радиуса . Здесь показаны звезды (белые), эклиптика (красный, описание видимого годового пути Солнца), а также линии прямого восхождения и круги склонения (голубые) экваториальной системы координат .

В астрономии и навигации небесная сфера — абстрактная сфера произвольно большого радиуса , концентрическая относительно Земли . Все объекты в 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 указания положения объекта на небе без учета его линейного расстояния от наблюдателя. Небесный экватор делит небесную сферу на северное и южное полушария.

Введение

Небесная сфера, 18 век. Бруклинский музей .

Поскольку астрономические объекты находятся на столь удаленных расстояниях, случайное наблюдение за небом не дает информации об их фактическом расстоянии. Все небесные объекты кажутся одинаково далекими , как будто закрепленными внутри сферы с большим, но неизвестным радиусом, 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, так ли это на самом деле или это Земля вращается , в то время как небесная сфера неподвижна.

Небесную сферу можно считать бесконечной по радиусу . Это означает, что любая точка внутри него, в том числе и та, которую занимает наблюдатель, может считаться центром . Это также означает, что все параллельные линии , будь то в миллиметрах друг от друга или через Солнечную систему друг от друга, будут казаться пересекающими сферу в одной точке, аналогичной точке схода графической перспективы . Будет казаться, что все параллельные плоскости пересекают сферу по совпадающему большому кругу («исчезающий круг»).

И наоборот, наблюдатели, смотрящие в одну и ту же точку на небесной сфере с бесконечным радиусом, 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 объекты в одном и том же направлении.

Для некоторых объектов это чрезмерно упрощено. Объекты, находящиеся относительно близко к наблюдателю (например, Луна ), будут казаться изменившими свое положение относительно удаленной 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. Можно считать, что центр небесной сферы находится в центре Земли, в центре Солнца или в любом другом удобном месте, и можно вычислить смещения от положений, относящихся к этим центрам.

Таким образом, астрономы могут предсказывать геоцентрическое или гелиоцентрическое положение объектов на небесной сфере без необходимости вычислять индивидуальную геометрию любого конкретного наблюдателя, и полезность небесной сферы сохраняется. Отдельные наблюдатели могут вычислить свои собственные небольшие отклонения от средних положений, если это необходимо. Во многих случаях в астрономии смещения незначительны.

Таким образом, небесную сферу можно рассматривать как своего рода астрономическую стенографию , и астрономы очень часто применяют ее. Например, Астрономический альманах за 2010 год указывает видимое геоцентрическое положение Луны на 1 января в 00:00:00.00 по земному времени в экваториальных координатах как прямое восхождение 6 ч 57 м 48,86 с , склонение +23° 30' 05,5" Это положение подразумевает, что оно спроецировано на небесную сферу: любой наблюдатель в любом месте, смотрящий в этом направлении, увидит «геоцентрическую Луну» в том же месте на фоне звезд. Луны), это положение, если смотреть из центра Земли, является адекватным.

Для приложений, требующих точности (например, расчет траектории тени при затмении ), Альманах дает формулы и методы для расчета топоцентрических координат, то есть вида, видимого из определенного места на поверхности Земли, исходя из геоцентрического положения. Это значительно сокращает количество деталей, необходимых в таких альманахах, поскольку каждый наблюдатель может иметь дело со своими конкретными обстоятельствами.

Греческая история на небесных сферах

Небесные сферы (или небесные сферы) изначально представлялись совершенными и божественными сущностями греческими астрономами, такими как Аристотель (384 г. до н.э. - 322 г. до н.э.). Греческий философ Аристотель составил набор принципов, названных аристотелевской физикой , которые обрисовали в общих чертах естественный порядок и структуру мира. Как и другие греческие астрономы, Аристотель также считал «... небесную сферу системой отсчета для своих геометрических теорий движения небесных тел» (Ольсер, стр. 14). Приняв Аристотелем теорию Евдокса, Аристотель описал небесные тела внутри небесной сферы как наполненные чистотой, совершенством и квинтэссенцией (пятый элемент, который, согласно Аристотелю, был известен как божественный и чистый). Примечательно, что Аристотель считал Солнце, Луну, планеты и неподвижные звезды совершенно концентрическими сферами, разделенными на две области; подлунная область и надлунная область. Аристотель утверждал, что эти тела (в надлунной области) совершенны и не могут быть испорчены ни одним из четырех элементов; огонь, вода, воздух и земля. Тленные элементы содержались только в подлунной области, а нетленные элементы находились в надлунной области геоцентрической модели Аристотеля. У Аристотеля было представление о том, что поведение небесных сфер должно двигаться в небесном движении (совершенном круговом движении), которое продолжается вечно. Он также утверждал, что поведение и свойство строго следуют принципу естественного места, где элемент квинтэссенции движется свободно только по божественной воле, в то время как другие элементы; огонь, воздух, вода и земля подвержены изменению и несовершенству. Ключевые концепции Аристотеля опираются на природу пяти элементов, различающих Землю и Небо в астрономической реальности, с применением модели Евдокса для определения физической реальности сфер.

Многочисленные открытия Аристотеля и Евдокса (примерно с 395 г. до н.э. по 337 г. до н.э.) вызвали различия в обеих их моделях и одновременное наличие сходных свойств. Аристотель и Евдокс заявляли о двух разных счетах небесных сфер. Согласно Евдоксу, на небе было всего 27 сфер, тогда как в модели Аристотеля их 55. Евдокс попытался построить свою модель математически из трактата, известного как «О скоростях» (переведенного с греческого на английский), и утверждал, что форма гиппопеда или лемнискаты связана с планетарной регрессией. Аристотель подчеркивал, что скорость небесных сфер неизменна, как и небеса, а Евдокс подчеркивал, что сферы имеют совершенную геометрическую форму. Сферы Евдокса будут вызывать нежелательные движения в нижней области планет, в то время как Аристотель ввел разматыватели между каждым набором активных сфер, чтобы противодействовать движениям внешнего набора, иначе внешние движения будут переданы внешним планетам. Позже Аристотель наблюдал «... движение планет, творчески используя комбинации вложенных сфер и круговых движений, но дальнейшие наблюдения продолжали сводить на нет их работу» (Ольсер, стр. 15).

Помимо Аристотеля и Евдокса, Эмпедокл дал объяснение, что движение неба, движущегося по нему с божественной (относительно высокой) скоростью, ставит Землю в стационарное положение из-за кругового движения , предотвращающего движение вниз по естественным причинам. Аристотель критиковал модель Эмпедокла, утверждая, что все тяжелые объекты движутся к Земле, а не сам вихрь приближается к Земле. Он высмеял это и заявил, что утверждение Эмпедокла крайне абсурдно. Все, что противоречило движению естественного пространства и неизменному небу (включая небесные сферы), немедленно подвергалось критике со стороны Аристотеля.

Небесные системы координат

Эти понятия важны для понимания небесных систем координат , основ для измерения положения объектов на небе . Определенные опорные линии и плоскости на Земле при проецировании на небесную сферу образуют основы систем отсчета. К ним относятся экватор Земли , ось и орбита . В местах их пересечения с небесной сферой они образуют небесный экватор , северный и южный небесные полюса и эклиптику соответственно. 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 .

Исходя из этих баз, можно количественно определить направления к объектам в небе, построив небесные системы 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 эклиптические долготу и широту . Помимо экваториальной и эклиптической систем, некоторые другие небесные системы координат, такие как галактическая система координат , более подходят для конкретных целей.

История

Основная статья: Космический плюрализм
Дополнительная информация: История астрономии.

Древние предполагали буквальную истину звезд, прикрепленных к небесной сфере, вращающихся вокруг Земли за один день, и неподвижной Земли. Планетарная модель Евдокса , на которой базировались модели Аристотеля и Птолемея , была первым геометрическим объяснением «блуждающих» классических планет . Считалось, что самые внешние из этих «хрустальных сфер» несут неподвижные звезды . Евдокс использовал 27 концентрических сферических тел, чтобы ответить на вопрос Платона : «Допущением каких равномерных и упорядоченных движений можно объяснить видимые движения планет?» Анаксагор в середине 5 века до нашей эры был первым известным философом, который предположил, что звезды были «огненными камнями», находящимися слишком далеко, чтобы можно было почувствовать их тепло. Похожие идеи высказывал Аристарх Самосский . Однако они не вошли в господствующую астрономию позднего античного и средневекового периода. Коперниканский гелиоцентризм покончил с планетарными сферами, но это не обязательно исключало существование сферы для неподвижных звезд. Первым астрономом европейского Возрождения, предположившим, что звезды были далекими солнцами, был Джордано Бруно в своей книге «De l'infinito universo et mondi» (1584 г.). Эта идея была среди обвинений, хотя и не на видном месте, выдвинутых против него инквизицией. Эта идея стала общепринятой в конце 17 века, особенно после публикации « Беседы о множественности миров » Бернара Ле Бовье де Фонтенеля (1686 г.), а к началу 18 века это было рабочим предположением по умолчанию в звездной астрономии.

Звездный глобус

Небесный глобус Йоста Бюрги (1594 г.)
Основные статьи: Звездная карта , Армиллярная сфера и Небесный глобус .

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. Самым старым сохранившимся примером такого артефакта является глобус скульптуры Фарнезского Атласа , копия II века более старой ( эллинистический период , ок. 120 г. до н.э.) работы.

Тела, кроме Земли

См. Также: Международная небесная система отсчета .

Наблюдатели в других мирах, конечно, видели бы объекты в этом небе примерно в тех же условиях — как если бы они проецировались на купол. Можно построить системы координат, основанные на небе этого мира. Они могут быть основаны на эквивалентной «эклиптике», полюсах и экваторе, хотя причины построения такой системы являются не только техническими, но и историческими.

Смотрите также

Заметки

использованная литература

внешние ссылки