A. Kính thiên văn
3.1.1. Cách ệt ọa độ trong Thiên cầu
Hình 3. 1: Con người đang đứng trên Trái đất là tâm của thiên cầu
Hằng ngày chúng ta thấy Mặt trời, Mặt trăng, hay các Ngôi sao mọc ở hướng Đông sau đó từ từ dịch chuyển trên bầu trời và lặn ở hướng Tây. Người quan sát thiên thể hay tất cả mọi vật trên Trái đất đều có một vị trí xác định trong hệ tọa độ địa lý bằng hai tọa độ: Kinh độ và vĩ độ. Vậy các thiên thể trên bầu trời có vị trí xác định hay không? Nếu có thì chúng được xác định bằng các tọa độ nào? Và trong những hệ tọa độ nào? Quả thật thì ứng với một thiên thể trên bầu trời đều có một vị
88
trí xác định, nhưng để xác định được vị trí đó người ta phải đưa ra những khái niệm mới như: Thiên cầu, các điểm và các đường cơ bản trên thiên cầu vì những khái niệm cũ trong hệ tọa độ địa lý không giải quyết được. Tùy theo việc chọn các điểm và các đường cơ bản trên thiên cầu mà ta có các hệ tọa độ khác nhau dùng để xác định vị trí của các thiên thể trên Thiên cầu.
Loài người từ lâu đã không còn quan niệm trời là một cái vòm được trang điểm bằng các thiên thể và bao quanh Trái đất nữa. Tuy nhiên, để mô tả tương quan và chuyển động biểu kiến (chuyển động biểu kiến là chuyển động mà chúng ta nhìn thấy) của các thiên thể thì việc coi có sự tồn tại của vòm cầu là thuận tiện nhất, và cái vòm cầu này người ta gọi là Thiên cầu. Vậy Thiên cầu chỉ là một mặt cầu tưởng tượng có tâm là vị trí của người quan sát, có bán kính vô cùng lớn nên bất kỳ điểm nào trên Trái đất cũng được coi là tâm của Thiên cầu. Mỗi ngày Thiên cầu hoàn thành đúng một vòng quay và cái vòng này người ta gọi là vòng quay “biểu kiến” vì khái niện Thiên cầu cũng chỉ là một khái niệm “biểu kiến”. Nhưng thực chất cái quay đó không phải là Thiên cầu mà là chúng ta, nói đúng hơn là chúng ta đang đứng trên một “hình cầu” đang tự quay quanh trục của nó có hướng từ Tây sang Đông, Chính vì không biết chúng ta đang quay với tốc độ chống mặt như vậy (29km/s) nên chúng ta coi chuyển động chung của tất cả các thiên thể từ Đông sang Tây là chuyển động của Thiên cầu và trên Thiên cầu được gắn rất nhiều các thiên thể bất động. Mặc dù Thiên cầu là một vòm cầu tưởng tượng nhưng nó mang nhiều tính chất sau:
89
Hình 3. 2: Hình ảnh thể hiện các tính chất của Thiên cầu
+ Mặt phẳng chứa tâm Thiên cầu cắt Thiên cầu theo một vòng tròn lớn (vòng qua F, G).
+ Qua hai điểm không đối xứng tâm trên Thiên cầu chỉ có thể vẽ một vòng tròn lớn (vòng qua A, B).
+ Qua hai điểm đối xứng tâm có thể vẽ vô số vòng tròn lớn (qua C, D).
+ Các mặt phẳng không qua tâm cắt mặt Thiên cầu thành những vòng tròn nhỏ có bán kính nhỏ hơn bán kính của Thiên cầu (vòng qua K,L).
+ Khoảng cách giữa hai điểm A, B trên Thiên cầu được thể hiện bằng cung
AB hay được đo bằng góc ở tâm A B0 .
+ Trên Thiên cầu không có đường thẳng, khoảng cách ngắn nhất giữa các điểm trên Thiên cầu là những cung của vòng tròn lớn, vì vậy trên Thiên cầu không thể vẽ được những đường thẳng song song.
Tùy theo việc lựa chọn các điểm và các đường cơ bản trên Thiên cầu mà ta có các hệ tọa độ khác nhau dùng để xác định vị trí của các thiên thể. Với giả sử người quan sát đứng trên Trái đất, qua đó ta vẽ được một Thiên cầu có bán kính R, với Trái đất là tâm của Thiên cầu thì chúng ta có những điểm và những đường cơ bản trên Thiên cầu như sau:
90
Hình 3. 3: Các điểm và các đường cơ bản của Thiên cầu
Thiên đỉnh – Thiên để: Đường thẳng đứng đi qua đỉnh đầu người quan sát, cắt Thiên cầu tại 2 điểm Z và Z’. Tại điểm Z trên đỉnh đầu người quan sát gọi là Thiên đỉnh, tại điểm Z’ dưới chân người quan sát gọi là Thiên để. Và chú ý rằng người quan sát đứng trên Trái đất chỉ nhìn thấy Thiên đỉnh chứ không nhìn thấy Thiên để → Tại mọi điểm trên Trái đất có một Thiên đỉnh và một Thiên để, 2 điểm đối xứng nhau qua tâm Trái đất thì Thiên đỉnh của điểm này là Thiên để của điểm kia và ngược lại.
Đường chân trời: Mặt phẳng vuông góc với OZ (tiếp tuyến với mặt đất) gọi là mặt phẳng chân trời, mặt phẳng này cắt Thiên cầu theo một vòng tròn lớn gọi là đường chân trời (là một vòng có hướng Bắc – Đông – Nam – Tây). Và đường chân trời được coi là thời điểm mà tại đó các thiên thể mọc hoặc lặn.
Thiên cực: Trái đất luôn quay nhưng ta tưởng tượng nó đang đứng yên nên ta cho rằng, Thiên cầu đang quay và trục quay của Thiên cầu thì song song với trục quay của Trái đất vì vậy khi kéo dài trục quay của Trái đất nó sẽ cắt Thiên cầu tại hai điểm PP’, trục quay này ta gọi là trục vũ trụ hay Thiên cực PP’ (PP’ là giao điểm của Thiên cực với mặt cầu). P được gọi là thiên cực Bắc, P’ được gọi là thiên cực Nam. Và nếu khi ta hướng đến thiên cực Bắc ta sẽ thấy Thiên cầu quay theo
91
chiều ngược chiều kim đồng hồ theo hướng từ Đông sang Tây (từ phải qua trái) trong khi Trái đất quay theo hướng từ Tây sang Đông (chiều thuận).
Xích đạo trời: Mặt phẳng qua tâm Thiên cầu và vuông góc với Thiên cực PP’ gọi là xích đạo trời (QQ’). Xích đạo trời chia Thiên cầu thành hai nửa, nửa chứa thiên cực Bắc (P) gọi là thiên cầu Bắc, nửa chứa thiên cực Nam (P’) gọi là thiên cầu Nam. Xích đạo trời cắt đường chân trời tại hai điểm Đông (Đ) và Tây (T).
Kinh tuyến trời: Là vòng tròn lớn đi qua thiên đỉnh Z và thiên cực P. Kinh tuyến trời cắt đường chân trời tại 2 điểm là Bắc (B) và Nam (N). Phần kinh tuyến chứa thiên đỉnh (BZN) (hay nửa vòng tròn lớn đi từ thiên cực Bắc qua thiên đỉnh đến thiên cực Nam) gọi là kinh tuyến trên, phần kinh tuyến chứa thiên để (BZ’N) (hay nửa vòng tròn lớn đi từ thiên cực Bắc qua thiên để để đến thiên cực Nam) gọi là kinh tuyến dưới.
Hoàng đạo: Là quỹ đạo chuyển động biểu kiến của Mặt trời trên Thiên cầu trong một năm. Mặt phẳng hoàng đạo hợp với xích đạo trời một góc là 23027’.
Đường nửa ngày (hay còn gọi là đường Bắc Nam): Là hình chiếu của kinh tuyến trời lên mặt phẳng chân trời.
Vòng thẳng đứng: Là các vòng tròn lớn đi qua Thiên đỉnh Z và Thiên để Z’ và vuông góc với đường chân trời.
Vòng giờ: Là vòng tròn lớn đi qua thiên cực PP’ và vuông góc với xích đạo trời. Như vây ta có thể nói kinh tuyến trời vừa là vòng thẳng đứng vừa là vòng giờ.
Vòng nhật động: Để xác định được vòng nhật động thì trước hết chúng ta hãy định nghĩa nhật động là gì? Nhật động là hiện tượng các thiên thể dịch chuyển trên Thiên cầu có chu kì là một ngày đêm, khi nhật động các thiên thể sẽ vẽ nên những vòng tròn nhỏ song song với xích đạo trời, những vòng tròn này ta gọi là vòng nhật động. Nếu đứng ở tâm trong Thiên cầu và nhìn về thiên cực Bắc thì sẽ thấy vòng nhật động có chiều quay từ Đông sang Tây. Trong một ngày đêm thiên thể sẽ mọc ở chân trời Đông, qua kinh tuyến trên và lặn xuống chân trời Tây, và ta không quan sát được nó qua kinh tuyến dưới cho đến sự mọc tiếp vào ngày hôm sau.
92
Hình 3. 4: Các vòng nhật động 1, 2, 3, 4, 5, 6
Trong mọi hệ tọa độ Thiên cầu chúng ta cần chú ý một điều: Đó là 4 điểm Thiên đỉnh (Z), Thiên để (Z’), thiên cực Bắc (P), thiên cực Nam (P’) và các điểm của đường chân trời là bất động với người quan sát, không quay cùng Thiên cầu.
Dựa vào các điểm và các đường cơ bản trong Thiên cầu ta chia chúng ra làm các hệ tọa độ sau: