Страница 5 из 45
Как известно, дальнейшее развитие астрономических знаний безжалостно разбило не только это заблуждение, но и все последующие попытки приписать нашей планете если не абсолютную, то хотя бы частичную геометрическую исключительность во Вселенной. В частности, сегодня мы хорошо знаем, что звёзды и другие космические объекты удалены от нас на различные расстояния.
Однако для целей практической астрономии важны не расстояния до небесных светил, а направления на них и углы между этими направлениями. Отвлекаясь от расстояний, мы тем самым как бы относим все светила к одному и тому же расстоянию, иными словами, располагаем их на поверхности сферы.
Таким образом, понятие небесной сферы закономерным естественным путем вытекает как из реальной картины звёздного неба, так и из характера тех конкретных задач, которые ставит перед собой практическая астрономия.
Вернёмся, однако, к определению небесной сферы ещё раз. В нём говорится, что небесная сфера — сфера произвольного радиуса. Это значит, что радиус небесной сферы мы можем выбирать по своему желанию — он может быть каким угодно. Но в таком случае необходимо ещё доказать, что результаты угловых измерений на небесной сфере не зависят от выбора её радиуса. В противном случае, как нетрудно сообразить, небесная сфера окажется непригодной для решения интересующей нас задачи — осуществления целеуказаний на небе.
Рис. 1. Угловые измерения на небе.
Выберем две небесные сферы с центром в одной и той же точке О и с радиусами R1 и R2 (R2 > R1) (рис. 1). Пусть у нас имеются две звезды S1 и S2. Спроектируем вдоль соответствующих радиусов изображения этих звёзд на обе небесные сферы. Получим точки S1' и S2' на одной из сфер и точки S1'' и S2'' — на другой.
Из самого построения без каких-либо специальных доказательств следует, что центральный угол φ 2) между направлениями на эти проекции один и тот же для обеих небесных сфер. Поскольку радиусы R1 и R2 были выбраны нами произвольно, полученный вывод справедлив и для любой другой небесной сферы с центром в точке О.
2 Греческая буква «фи». В астрономии многие величины, а также звёзды, обозначаются буквами греческого алфавита. При описании созвездий мы будем часто употреблять эти обозначения (см. Приложение 1).
Может, однако, возникнуть сомнение: есть ли необходимость доказывать столь, казалось бы, очевидное положение? Но дело в том, что развитие точных наук, в особенности математики и физики, со всей убедительностью показало: очевидные на первый взгляд утверждения нередко оказываются ошибочными.
Итак, мы обосновали целесообразность введенного нами определения небесной сферы и возможность её применения для осуществления угловых измерений на небе. Сделаем теперь следующий шаг.
Небесная сфера в рассматриваемом нами случае вводится для земного наблюдателя. А это значит, что её необходимо связать с условиями наблюдения звёздного неба с Земли.
Первое из них состоит в том, что наша планета шарообразна. Следовательно, два наблюдателя, расположенные одновременно в различных точках Земли, видят над собой различные участки звёздного неба.
Второе условие состоит в том, что Земля вращается вокруг собственной оси и поэтому наблюдатель, который находится в одной и той же точке земной поверхности, видит, что картина звёздного неба постепенно меняется.
Таким образом, наши построения должны отобразить факт шарообразности и факт вращения Земли. В связи с этим нам придётся проделать некоторые дополнительные построения.
Отвесная линия, о которой мы говорили ранее, пересекает поверхность небесной сферы в двух точках. Точка пересечения, расположенная у нас над головой, называется зенитом Z1 и Z2 на рис. 2), противоположная — надиром.
Проведем теперь через центр небесной сферы плоскость, перпендикулярную к отвесной линии. Эта плоскость называется плоскостью математического или истинного горизонта (A1A1' и A2A2'). Окружность, получающаяся при пересечении этой плоскости с небесной сферой, называется математическим или истинным горизонтом. Здесь следует только заметить, что помимо истинного горизонта различают ещё видимый горизонт. В то время как истинный горизонт — идеальная окружность, видимый горизонт определяется рельефом данной местности, и конкретными условиями наблюдений (на рис. 2 видимый горизонт определяется линиями O1B1 и O2B2, где O1 и O2 — глаз наблюдателя).
В результате выполненных нами построений небесная сфера оказалась связанной с шарообразностью Земли. В самом деле, теперь каждому наблюдателю, расположенному в той или иной точке земного шара, соответствуют своя отвесная линия, свой зенит, своя плоскость горизонта, свой математический или истинный горизонт.
Рис. 2. Местные линии и горизонты. Понижение горизонта на рисунке сильно преувеличено. Для человека, стоящего на Земле, видимый и математический горизонт практически совпадают.
Необходимо теперь связать небесную сферу с вращением Земли. С этой целью займемся наблюдением звёзд. Мы обнаружим, что на протяжении ночи звёзды смещаются по небосводу, причём их движение происходит по дугам. Это видимое движение звёзд по небесной сфере есть отражение суточного вращения Земли. Таким образом, можно говорить о видимом вращении небесной сферы, имея при этом в виду, что в действительности вращается наша планета, только в противоположном направлении.
Наблюдая небо, можно заметить, что разные звёзды описывают дуги различных радиусов и на небе есть точка, не принимающая участия во вращении небесной сферы.
Чтобы определить её местонахождение, направим в эту область неба телескоп и сделаем фотографию с длительной выдержкой. В результате мы получим снимок, на котором лучи от всех звёзд вследствие вращения небесной сферы прочертят дуги (рис. 3). В центре этих дуг и будет расположена искомая неподвижная точка — полюс мира. Очень близко от северного полюса Мира находится довольно яркая звезда, которая по этой причине называется Полярной звездой.
Рис. 3. Фотография полярной области неба.
Соединив северный полюс мира с центром небесной сферы и продолжив полученную линию неограниченно в обе стороны, мы построим ось мира — воображаемую прямую линию, вокруг которой совершается вращение небесной сферы, отражающее вращение Земли. Вторая точка пересечения оси мира с небесной сферой называется южным полюсом мира.
Таким образом, мы имеем пять фиксированных точек, связанных с небесной сферой. Мы будем рассматривать только три из них: центр сферы, зенит (или надир), и северный полюс мира (или соответственно южный полюс мира). Три точки, как известно, определяют, и притом единственным образом, положение плоскости в пространстве. Эта плоскость (в нашем случае) называется плоскостью небесного меридиана. Она пересекает небесную сферу по окружности большого круга — небесному меридиану.
Небесный меридиан пересекается с линией математического горизонта в двух точках, которые называются точкой севера (она расположена в стороне северного полюса мира) и точкой юга. Слева от точки юга по линии истинного горизонта на угловом расстоянии, равном 90°, расположена точка востока, справа на таком же угловом расстоянии — точка запада. На полюсах Земли эти понятия теряют смысл.