CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG THIÊN VĂN HỌC

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN, TRONG THIÊN VĂN HỌC

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN TRONG THIÊN VĂN HỌC

Thiên cầu: (celestial sphere):

Trên bầu trời nhìn thấy hàng ngày, người ta quan sát thấy rất nhiều các thiên thể như Mặt Trời, Mặt Trăng, các hành tinh, các vì sao và thậm chí là các đám mây nữa Khoảng cách của chúng đến Trái Đất và khoảng cách của chúng so với nhau rất khác nhau Để tiện quan sát trực quan, người ta tưởng tượng ra một mặt cầu khổng lồ bao quanh Trái Đất ở một khoảng cách nào đó không xác định, nó giống như một cái nền mà trên đó có đính tất cả các thiên thể nêu trên Gọi mặt cầu tưởng tượng đó là Thiên Cầu, người ta có thể coi chuyển động chung từ Đông sang Tây của tất cả các thiên thể trên bầu trời hàng ngày là chuyển động của Thiên cầu

Thiên đỉnh (zenith) vàThiên để (nadir):

Nếu bạn đứng tại một điểm trên Trái Đất và quan sát Thiên cầu thì bạn có thể tưởng tượng rằng

có một đường thẳng đi qua bạn và tâm Trái Đất, đường nối bạn với tâm Trái Đất này cắt Thiên cầu tại 2 điểm Một điểm ngay trên đỉnh đầu bạn, đó làThiên đỉnh Còn điểm còn lại thì đối xứng với thiên đỉnh, nó cắt Thiên Cầu tại phía bên kia, bạn không thể thấy nó do bị Trái Đất che khuất, điểm đó được gọi là Thiên để

Mỗi điểm bát kì trên Trái Đất đều có một thiên đỉnh và một thiển để riêng, 2 điểm đối nhau qua tâm Trái Đất thì thiên đỉnh của điểm này sẽ là thiên để của điểm kia và ngược lại

Thiên cực (celestial pole):

Ta đã biết Trái Đất có một trục Bắc- Nam nối 2 địa cực Bắc-Nam và đi qua tâm Trái Đất Nếu kéo dài trục Trái Đất ra vô hạn theo hướng Bắc Nam của Địa Cầu thì đường thẳng cắt Thiên cầu tại 2 điểm gọi là thiên cực Bắc (Nord Celestial Pole) và thiên cực Nam (South Celestial Pole) Như vậy nếu bạn đứng tại cực Bắc của Trái Đất thì thiên cực Bắc sẽ là Thiên đỉnh của bạn và Thiên cực Nam sẽ là Thiên để, còn khi bạn đứng tại cực Nam thì ngược lại

* Toàn bộ những điểm được giới hạn từ xích đạo trời đến Thiên cực Bắc được gọi là Thiên cầu Bắc

* Toàn bộ những điểm được giới hạn từ xích đạo trời đến Thiên cực Nam được gọi là Thiên cầu Nam

Nếu bạn đứng tại Bắc Cực, bạn sẽ thấy toàn bộ Thiên cầu Bắc nhưng không thây một chút nào

về Thiên cầu Nam và khi bạn đứng ở Nam cực thì ngược lại

Xích đạo trời (celestial equator):

Hãy tưởng tượng kéo dài bán kính của xích đạo Trái Đất ra dài vô hạn thì đường xích đạo của chúng ta sẽ trở thành một đường tròn cắt ngang Trái Đất và cắt cả lên thiên cầu Đường cắt đó trên thiên cầu chính là xích đạo trời Hay nói cách khác thì xích đạo trời chính là hình chiếu vuông góc của xích đạo Trái Đất lên Thiên Cầu

Hoàng Đạo (zodiac):

Hoàng Đạo chính là đường chuyển động của Mặt Trời trên Thiên cầu trong 1 năm Chúng ta đã biết rằng Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời mỗi vòng hết 365,4 ngày (gọi là 1 năm) Thiên cầu lại là một khái niệm gắn liền với Trái Đất và do đó khi Trái Đất chuyển động như thế, ta có thể tưởng tuởng ra một mặt cầu Thiên Cầu chuyển động cùng Trái Đất, với biên của Thiên cầu ở rất xa, cũng do việc hướng nhìn thay đổi, chúng ta sẽ thấy vị trí của Mặt Trời thường xuyên thay

đổi so với các sao trên Thiên Cầu Mỗi thời gian khác nhau, Mặt Trời sẽ "lướt" qua một vị trí khác nhau trên Thiên Cầu Trong 1 năm, đường đi đó tạo thành một vòng tròn khép kín và người

ta từ thời xa xưa đã gọi vòng tròn đó là Hoàng Đạo, chia nó ra thành 12 phần, 12 cung ứng với

12 chòm sao gồm:

Aries, Taurus, Gemini, ancer, Leo, Virgo, Libra, Scorpius, Sagittarius, Capriconus, Aquarius, Pisces

Bạn có thể dễ dàng hình dung hiện tượng thay đổi vị trí của Mặt Trời trên Hoàng Đạo nhờ hình sau:

Ví dụ: Tháng 1, bạn thấy theo hình trên, Trái đất nằm tại vị trí gần chòm Gemini, tại sao lại nói tháng 1 tương ứng với chòm sao Sagittarius? Nhìn kĩ hình rên sẽ thấy rằng trong tháng 1, khi bạn hướng về phía Mặt Trời thì chòm sao Sagittarius sẽ nằm phía sau Mặt Trời, do đó mà có sự tương ứng đó, còn ban đêm thì bạn sẽ quan sát thấy Gemini toả sáng vào lúc nửa đêm

Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời theo một mặt phẳng quĩ đạo hình elip Trục Bắc-Nam của Trái Đất không vuông góc với mặt phẳng quĩ đạo này mà nghiêng so với mặt phẳng này một góc 23độ 27 phút Vì lí do này mà 2 mặt phảng Hoàng Đạo và Xích đạo trời nghiêng so với nhau một

góc tương ứng cũng là 23 độ 27 phút Do 2 mặt phẳng này nghiêng so với nhau nên đường tròn biểu diễn chúng cắt nhau tại 2 điểm là điểm xuân phân và điểm thu phân

Đường chân trời (horizon):

Khi bạn đứng tại bất cứ điểm nào trên Trái Đất, bạn cũng có thể xác định được thiên đỉnh ngay trên đỉnh đầu mình Ngoài ra tầm nhìn của bạn bị giới hạn bởi một đường bao nằm trên mặt Trái Đất mà mắt bạn không thể nhìn xuống thấp hơn được, đường đó chính là đường chân trời của bạn

Trung tuyến trời (Celestial Meridian):

Vòng tròn lớn tạo thành do sự cắt của Mặt phẳng đi qua trục vũ trụ vàđường thằng đứng với thiên cầu Trung tuyến trời cắt đường chân trời tại các điểm Bắc, Nam và đi qua thiên đỉnh, thiên

để Nửa vòng phía trên được chân trời gọ là Trung thiên trên còn nửa vòng dưới đường chân trời gọi là Trung thiên dưới

Đường chính ngọ:

đường thẳng đi qua tâm thiên cầuvà nối 2 điểm Nam, Bắc

Các điểm Bắc (N), Nam(S), Tây(W), Đông(E):

Các điểm tính theo các hướng tương ứng theo vị trí của người quan sát (cũng như thiên đỉnh cũng chỉ tương đối, luôn nằm trên đỉnh đầu người quan sát)

Hình vẽ mô tả vị trí tương đối của các khái niệm trên Thiên Cầu:

Khái niệm, qui ước các chuyển động thiên cầu

Đây là một số khái niệm để các bạn tham khảo và tra cứu về các qui ước trong thiên văn học cơ bản liên quan đến chuyển động của thiên cầu

Các khái niệm thời gian:

ngày day Khoảng thời gian để Trái Đất hoàn thành một chu kì tự quay quanh trục của mình Trong thiên văn học, ngày được định nghĩa là một đơn vị thời gian có độ dài 86.400 giây Trên thực tế, sự tự quay của Trái Đất là không hoàn toàn đều, do đó thiên văn có hai cách tính ngày dựa trên hai cơ sở khác nhau, gọi là ngày mặt trời và ngày sao

ngày mặt trời solar day Thời gian giữa hai lần giữa trưa liên tiếp, có độ dài 24 giờ hay 86.400 giây Ngày mặt trời được sử dụng trong thiên văn học hiện đại để làm cơ sở tính cho dương lịch ngày sao sidereal day Thời gian để một ngôi sao tại thiên đỉnh của người quan sát vào thời điểm bất kì trở về đúng thiên đỉnh, tức là thời gian để Trái Đất tự quay quanh trục đúng một vòng so với nền bầu trời sao Do Trái Đất còn chuyển động tự quay quanh Mặt Trời nên ngày sao có giá trị nhỏ hơn 24 giờ Độ dài của nó là 23 giờ 56 phút 4 giây hay 86.164 giây

năm year Khoảng thời gian tương đương với một chu kì chuyển động của Trái Đất quanh Mặt Trời Trong đời sống, năm được qui ước có độ dài là 365 ngày, năm nhuận 366 ngày Trong thiên văn học, độ dài chính xác của năm phụ thuộc vào các cách tính dựa trên các mốc khác nhau, do đó năm trong thiên văn được chia thành các loại cơ bản là năm cận nhật, năm nhiệt đới, năm sao và năm thiên thực

năm cận nhật anomalistic year Thời gian giữa hai lần liên tiếp Trái Đất đi qua điểm cận nhật (điểm gần Mặt Trời nhất trên quĩ đạo chuyển động của Trái Đất) Năm cận nhật có độ dài

365.259 ngày

năm nhiệt đới tropical year Thời gian giữa hai lần liên tiếp Mặt Trời đi qua điểm xuân phân (hoặc thu phân), do đó còn được gọi là năm (xuân/thu) phân (equinoctial year) Năm này có độ dài 365.242 ngày Dương lịch hiện nay sử dụng độ dài này làm chuẩn để qui ước cách tính lịch hiện đại

năm sao sidereal year Thời gian giữa hai lần liên tiếp Mặt Trời nằm tại cùng một ví trí so với nền các sao trên thiên cầu Độ dài của năm sao là 365.256 ngày

năm thiên thực eclipse year Thời gian giữa hai lần liên tiếp Mặt Trời nằm trên giao tuyến của mặt phẳng quĩ đạo Trái Đất và mặt phẳng quĩ đạo Mặt Trăng Năm thiên thực có độ dài 346.620, thường được dùng để tính chu kì của nhật thực và nguyệt thực

xuân phân vernal equinox 1.Ngày giữa mùa xuân, tùy từng năm là ngày 20 hoặc 21 tháng 3 dương lịch, là ngày Mặt Trời đi qua xích đạo trời do đó có ngày và đêm dài tương đương nhau 2.Một trong hai điểm giao nhau của xích đạo trời với hoàng đạo trên thiên cầu Điểm xuân phân được sử dụng phổ biến trong thiên văn học, thời điểm Mặt Trời đi qua điểm xuân phân, ánh sáng của nó vuông góc với xích đạo Trái Đất, điểm xuân phân được chọn làm mốc tính tọa độ trong

hệ tọa độ hoàng đạo và hệ tọa độ xích đạo

hạ chí summer solstice 1.Ngày giữa mùa hè, có ngày dài nhất và đêm ngắn nhất trong năm, tùy từng năm rơi vào 20 hoặc 21 tháng 6 (đối với Bắc bán cầu, đối với Nam bán cầu 20 hoặc 21 tháng 6 là ngày đông chí) 2.Điểm cao nhất của đường đi của Mặt Trời trên hoàng đạo về phía Bắc Khi Mặt Trời đi qua điểm này, ánh sáng từ nó vuông góc với đường chí tuyến Bắc của Trái Đất

thu phân autumnal equinox 1.Ngày giữa mùa thu, tùy từng năm rơi vào 22 hoặc 23 tháng 9, là ngày có ngày và đêm dài tương đương nhau do Mặt Trời đi qua xích đạo trời 2.Một trong hai điểm giao của xích đạo trời với hoàng đạo, ngày thu phân là ngày Mặt Trời đi qua điểm này Trong thiên văn học, điểm giao thứ hai là điểm xuân phân thường được sử dụng nhiều hơn trong các hệ tọa độ thiên cầu

đông chí winter solstice 1.Ngày giữa mùa đông, có ngày ngắn nhất và đêm dài nhất trong năm Tùy từng năm ngày này rơi vào 21 hoặc 22 tháng 12 (đối với Bắc bán cầu, đối với Nam bán cầu thì 21 hoặc 22 tháng 12 là ngày hạ chí) 2.Điểm thấp nhất trên hoàng đạo - đường đi của Mặt Trời về phía Nam Khi Mặt Trời đi qua điểm này, ánh sáng từ nó vuông góc với đường chí tuyến Nam của Trái Đất

Các khái niệm về chuyển động của các thiên thể trên thiên cầu:

chân trời horizon Đường giới hạn tầm nhìn của người quan sát Một cách chính xác, chân trời là

bề mặt cong của Trái Đất, tạo thành một đường bao không cho phép người quan sát nhìn phần bầu trời thấp hơn đường bao đó Chân trời thường được nhìn thấy rõ khi quan sát tại biển hoặc thảo nguyên, đồng cỏ trải rộng

xích đạo trời celestial equator Đường giao của thiên cầu với mặt phẳng kéo dài của xích đạo Trái Đất Nói cách khác, xích đạo trời là hình chiếu của xích đạo Trái Đất lên thiên cầu Trong thiên văn học, xích đạo trời được sử dụng trong các hệ tọa độ thiên cầu, là đường phân cách hai nửa thiên cầu thành bán thiên cầu Bắc và bán thiên cầu Nam

Hoàng Đạo(1) Zodiac Đường đi biểu kiến của Mặt Trời trên thiên cầu Theo cách quan sát biểu kiến, mỗi năm Mặt Trời lần lượt lướt qua vị trí của 13 chòm sao (theo thiên văn học cổ chỉ có 12 chòm sao vì chưa tính chòm sao Ophiuchus) gọi là 13 chòm sao Hoàng Đạo Trong thuật ngữ thiên văn hiện đại, Hoàng Đạo (viết hoa chữ cái đầu và được dịch là Zodiac) khác với hoàng đạo (ecliptic) chỉ giao tuyến của mặt phẳng quĩ đạo của Trái Đất với thiên cầu (một số tài liệu dịch khái niệm này là "Hoàng đới")

hoàng đạo (2) ecliptic Đường tròn giao giữa mặt phẳng quĩ đạo của Trái Đất với thiên cầu Với các quan sát biểu kiến, hoàng đạo được coi là đường chuyển động của Mặt Trời trong một năm Đường đi của Mặt Trời trên giao tuyến này được gọi là Hoàng Đạo (Zodiac)

nhật động diurnal motion Chuyển động biểu kiến hàng ngày của thiên cầu quanh trục Bắc - Nam của Trái Đất do chuyển động tự quay của Trái Đất gây ra Chiều của nhật động là chiều Đông - Tây (chiều mọc/lặn của Mặt Trời)

tuế sai precession Chuyển động chậm theo hình nonns của trục quay thiên thể, thường được hiểu là của Trái Đất Tuế sai thường còn được gọi là tiến động, được gây ra bởi tương tác giữa các thiên thể gần nhau Trong trường hợp của Trái Đất, trục quay lệch so với trục vuông góc với mặt phẳng hoàng đạo một góc 23,5 độ, tuế sai của Trái Đất và dao động của trục quay theo biên

độ này Chu kì tuế sai của Trái Đất là 25.730 năm Vì hiện tượng tuế sai này, hướng của trục Trái Đất không phải cố định Hiện nay trục Trái Đất đang hướng về phía sao Alpha Ursa Minoris (sao Pollaris) theo hướng Bắc, do đó ngôi sao này được gọi là sao Bắc Cực, nhưng vào năm 2000 trước Công Nguyên, ngôi sao được coi là sao Bắc Cực là sao Thuban (sao Alpha Draconis - sao sáng nhất của chòm sao Draco)

chương động nutation Dao động nhỏ và không đều trong tuế sai của trục quay Trái Đất Hiện tượng này được phát hiện bởi nhà thiên văn James Bradly vào năm 1748 sau 19 năm quan sát tỉ

mỉ vị trí chính xác các sao trên thiên cầu và các thay đổi của chúng Chương động là dao động rất nhỏ con người không thể nhận thấy trực tiếp, gây ra bởi nguyên nhân chính là tương tác hấp dẫn giữa Trái Đất và Mặt Trăng khi Mặt Trăng chuyển động trên quĩ đạo elip quanh Trái Đất

thị sai parallax Sự thay đổi vị trí biểu kiến của các thiên thể (sao, hành tinh) ở gần so với nền của các sao xa hơn do chuyển động tự quay của Trái Đất, của Trái Đất trên quĩ đạo quanh Mặt Trời và chuyển động của Hệ Mặt Trời quanh tâm Ngân Hà Thị sai cho biết sự khác biệt do sự thay đổi vị trí của người quan sát, sự thay đổi vị trí này làm hình chiếu tạo bởi tia nhìn từ người quan sát đến thiên thể đến nền các sao ở xa thay đổi, thị sai là giá trị của góc thay đổi đó Trong thiên văn học, thị sai được sử dụng để tính khoảng cách đến các thiên thể (sao, hành tinh) gần, không áp dụng được với các sao hay thiên hà ở xa do sự thay đổi góc nhìn trong năm với các thiên thể ở xa là nhỏ, do đó thị sai rất nhỏ và khó xác định

thị sai ngày diurnal parallax Thị sai chỉ sự thay đổi vị trí của các thiên thể gần khi quan sát trên một vị trí nào đó trên mặt Trái Đất so với hướng quan sát từ tâm Trái Đất, còn gọi là thị sai địa tâm (geocentric parallax) Góc thay đổi này gây ra do sự tự quay của Trái Đất quanh trục Thị sai ngày được áp dụng đối với các thiên thể gần như các thiên thể trong Hệ Mặt Trời

thị sai năm annual parallax Thị sai chỉ sự thay đổi vị trí của thiên thể trên nền các sao ở xa đo bằng góc tạo bởi tia nhìn từ thiên thể đến Trái Đất và Mặt Trời Thị sai này gây ra bởi chuyển động của Trái Đất trên quĩ đạo quanh Mặt Trời hàng năm, thường được đo bằng cách xác định sự thay đổi vị trí của thiên thể trên nền các sao ở xa vào các thời điểm khác nhau trong năm (tương ứng với vị trí khác nhau của Trái Đất trên quĩ đạo)

thị sai chân trời horizontal parallax Thị sai ngày lớn nhất có thể được quan sát, tương ứng với khi thiên thể nằm ở vị trí ngang với đường chân trời của người quan sát

Một số đơn vị hay gặp

đơn vị thiên văn astronomical unit (AU) Đơn vị đo khoảng cách trong thiên văn học, áp dụng cho việc đo khoảng cách giữa các thiên thể trong Hệ Mặt Trời Một đơn vị thiên văn được lấy là khoảng cách trung bình giữa Trái Đất và Mặt Trời là 1.4959787 × 10^11 mét (149,6 triệu km) năm ánh sáng light year (LY) Đơn vị đo khoảng cách trong thiên văn học, sử dụng rộng rãi trong việc đo các khoảng cách lớn Một năm ánh sáng là quãng đường ánh sáng đi được trong một năm Một năm ánh sáng có giá trị là 9.4605284 × 10^15 mét

parsec Khoảng cách tương ứng với thị sai một giây Đơn vị dùng trong thiên văn có độ dài là khoảng cách giữa hai điểm cách nhau một khoảng cách tương ứng với thị sai năm là 1 giây, tương đương với 3,26 năm ánh sáng Parsec (viết tắt pc) là đơn vị dùng phổ biến trong thiên văn vật lý, thường còn được dùng với đơn vị bội số là megaparsec (viết tắt Mpc)

Các hệ toạ độ được dùng trong Thiên văn đều là các hệ toạ độ cầu, lấy chính thiên cầu làm hệ qui chiếu trên đó xác lập các toạ độ Các hệ toạ độ này đợc sử dụng rộng rãi với mục đích chính là xác định vị trí chính xác trên thiên cầu Từ đó có một cơ sở chính xác về vị trí của các thiên thể trên bầu trời, cũng như phân định chính xác ranh giới của các đám tinh vân lớn, các chòm sao

Trong Thiên văn học quan sát hiện đại, có 3 hệ toạ độ thông dụng nhất thường được sử dụng là

hệ toạ độ chân trời, hệ toạ độ xích đạo và hệ toạ độ hoàng đạo

1- Hệ toạ độ chân trời

Trong hệ toạ độ này, có 2 điểm mốc được sử dụng là vòng chân trời (horizon) và thiên đỉnh (zenith) Từ 2 điểm mốc này, xác lập 2 giá trị toạ độ cho mỗi điểm cần xác định 2 giá trị đó là

độ cao (altitude) và độ phương (azimuth)

Độ cao (Altitude) h là khoảng cách góc giữa thiên thể và mặt phẳng chân trời Trong hình vẽ minh hoạ, độ cao h chính là giá trị của góc XOT Giá trị của h là từ âm 90 độ - đối với các thiên thể có vị trí tại thiên để (nadir) cho đến dương 90 độ - đối với các thiên thể nằm tại thiên đỉnh Giá trị của độ cao này sẽ là âm nếu thiên thể nằm dưới đường chân trời (tức là không thể nhìn thấy) và dương nếu nằm phía trên đường chân trời

Trong một số trường hợp, độ cao h này được thay thế bằng một giá trị tương ứng là zenith distance, là khoảng cách góc giữa thiên đỉnh và thiên thể cần xác định Như vậy thì giá trị của chỉ

số này sẽ là 0 nếu thiên thể nằm trên thiên đỉnh, là 90độ nếu thiên thể nằm trùng với chân trời và

là 180 độ khi thiển thể nằm tại thiên để

Độ phương (Azimuth) a là giá trị góc tính từ điểm Nam (điểm chính nam của thiên cầu theo vị trí của người quan sát) theo hướng Tây đến vòng thẳng đứng đi qua thiên thể Trong hình vẽ minh họa, điểm Nam được kí hiệu là S, góc độ phương là SOT Giá trị của độ phương này là từ 0 đến

360 độ

Lưu ý: Hệ toạ độ chân trời có giá trị tương đối với từng vị trí quan sát và từng thời điểm khác nhau do mỗi vị trí khác nhau, người quan sát sẽ có một góc quan sát khác nhau với các thiên thể

và bản thân thiên cầu thì liên tục chuyển động trong ngày (nhật động) Vì lí do này, hệ toạ độ này chỉ có giá trị dùng trong quan sát và nghiên cứu trực tiếp, cũng như giúp ích trong việc xác định

vị trí trên mặt đất

2-Hệ toạ độ xích đạo:

Hệ toạ độ này sử dụng vòng xích đạo trời làm gốc và 2 cực là thiên cực Bắc và thiên cực Nam

Có 2 hệ toạ độ xích đạo cõ bản thường được sử dụng là hệ toạ độ góc giờ và hệ toạ độ xích kinh

Hệ toạ độ được sử dụng phổ biến và chính thức hơn cả là hệ toạ độ sử dụng 2 trị số xích kinh (Right Ascension - RA) và xích vĩ (Declination - DEC)