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第22章 恒星视位置

任意时刻恒星的平位置是:当观测者站在不动的太阳上(严格的说是太阳系的质心)看到它在天球上的视位置,并且,它的位置坐标涉及Date黄道平分点(或Date赤道平分点)。

任意时刻恒星的视位置是:当观测者站在移动着的地心看到它在天球上的位置,其视坐标涉及瞬时赤道、黄道及分点。应当注意到:

——平分点是:Date黄道与Date平赤道的交点。 ——真分点是:黄道与Date瞬时(真)赤道的交点,它与平分点不同,因为瞬时赤道含章动效果。 ——这里没有定义“平黄道”,因为黄道的变化是有规律的。

问题提出:恒星不是真正不动的,那么如何将某一时刻恒星的平位置(例如标准历元坐标中的位置)转换到另一时刻的视位置?我们需要考虑以下位置改正:

(A)两个历元之间,恒星的自行。我们可以假设各恒星的自行是在一个很大的圆上匀速动动。当自行是恒星极距的重要部分这种情况之外,恒星自行速度基本可看作常数,不仅它本生自行,而且它的赤经及赤纬(相对固定分点坐标)分量在几个世纪内匀可看作常数。因此,我们开始寻找,当选用固定的参考系时的自行效果,正如例20.b

(B)岁差效果。这已在第20章中解释了。

(C)章动效果。见下文。

(D)周年光行差。见下文。

(E)周年视差。当然,在天文学中,恒星视差是非常重要的。正如Georgo Lovi说的:“在广阔的星际中,视差是我们和我们的近邻之间唯一的真正的几何连接。它使天文学家能够创建测定星体与我们之间的距离的方法” 然而,为了人们希望精确计算恒星位置,恒星视差就显得很讨厌。幸运的是,多数情况下恒星视差不超过0".8并且可以忽略。根据R.Burnham,只有13个恒星(亮度超过9.0)与我们之间的距离小于13光年(4秒差距),视差超过0".25。这些恒星是:αCentauri,Lalande21185(在Ursa Major),Sirius,εEridani,61Cygni,Procyon,εIndi,∑2398(在Draco),Groombridge34(在Andromeda),τCeti,Lacaile9352(在Piscis Austrinus),Cordoba29191(在Microscopium),Kapteyn(在Pictor)。这些恒星没有一个在黄道附近,也没涉及月亮星蚀或行星汇合。 正是由于这个原因,以下计算恒星视位置时,忽略了周年视差。


章动效果

为平位置修正章动的最简单、最直接的章动方法是:把黄经章动Δψ加到天体的黄经中。黄道及星体的黄纬并没有因章动而改变。 这个方法用很适用于在黄道坐标中计算行星的视位置。然而,恒星位置通常是在赤道坐标系统给出的,所以我们宁愿在赤经和赤纬中直接修正,赤经章动及赤纬章动公式如下:

Δα1 = (cos(ε) + sin(ε)sin(α)tan(δ))*Δψ - cos(α)tan(δ)*Δε Δδ1 = sin(ε)cos(α)*Δψ + sin(α)*Δε ……22.1式组 当恒星靠近天极时,这两个公式无效。在这种情况下,用上面提到的,使用黄道坐标直接加上黄经章动Δψ效果很好。

Δψ及Δε可以使用第21章描术的方法计算。而ε是黄赤交角,使用21.2式计算。


光行差效果

λ和β是恒星的黄经和黄纬,K是光行差常数(20".49552),Θ是太阳真黄经(也叫几何黄经),e是地球轨道的离心率,π轨道近日点经度。

Θ可使用第24章描术的方法计算 e = 0.016708617 - 0.000042037T - 0.0000001236T^2 π= 102°.93735 + 1°.71953T + 0°.00046T^2 式中T是J2000.0起算的儒略世纪数,由21.1式算得。

那么,黄经及黄纬的周年视光行差修正值是:

在赤道坐标中,恒星的赤经α及赤纬δ的周年光行差是:

章动和光行差对α及δ的总的修正分别是:Δα1+Δα2和Δδ1+Δδ2,计算时应注意单位的统一。

重要注意事项:公式(22.2)和(22.3)是光行差的完整表达,它们包含了E项修正,应当使用于FK5系统的恒星位置坐标。如果使用FK4位置,(22.2)及22.3式中包含e的项应当忽略,如同第20章解释的,因e项几乎常数,在FK4系统中e项保留为平位置。

例22.a:——计算θPersei的视位置,2028年11月13.19 TD。

该恒星在这一时刻的平位置,包含自行效果,可由例20.b得到,即: α = 2h 46m 11s.331 = +41°.5472 δ = +49°20'54".54 = +49°.3485 该时刻的黄经章动及交角章动,可利用第21章的方法计算得到: Δψ = +14".861, Δε = +2".705 由公式(21.2)得到ε = 23°.436,而太阳的真黄经使用第24章的“低精度”方法得:Θ = 231°.328(得到0.01度的精度已足够),我们还得到: T = +0.2886705, e = 0.01669647, π = 103°.434 把α、δ、ε、Δψ、Δε、Θ、e、π代入公式(22.1)和(22.3)得到: Δα1 = +15".843, Δδ1 = +6".218 Δα2 = +30".047, Δδ2 = +6".696 那么总修正为: Δα = +15".843 + 30".047 = +45".890 = +3s.059 Δδ = +6".218 + 6".696 = +12".91 因此,恒星的视坐标是: α = 2h 46m 11s.331 + 3s.059 = 2h 46m 14s.390 δ = +49°20'54".54 + 12".91 = +49°21'07".45

Ron-Vondrak的光行差表达

表达式(22.2)及(22.3)包含了地球轨道离心率的效果,可得到很高精度的结果。不过,结果也不是严格精确的,因为公式是基于地球不受摄动的椭圆轨道的。实际上,地球运动受到月球及行星的一些摄动。太阳本身受巨行星(木星和土星)运动的影响也围绕太阳系的质心运动。

如果需要很高的计算精度,事实上,须使用太阳相对于太阳系质心的速度来计算恒星光行差。完成这种计算的方法,已由Ron 和Vondrak提出。

如果 T = (JD -2451545)/36525是J2000.0起算的儒略世纪数,然后计算给定时刻的以下角度(单位弧度): L2 = 3.1761467 + 1021.3285546T L3 = 1.7534703 + 628.3075849T L4 = 6.2034809 + 334.0612431T L5 = 0.5995465 + 52.9690965T L6 = 0.8740168 + 21.3299095T L7 = 5.4812939 + 7.4781599T L8 = 5.3118863 + 3.8133036T L' = 3.8103444 + 8399.6847337T D = 5.1984667 + 7771.3771486T M' = 2.3555559 + 8328.6914289T F = 1.6279052 + 8433.4661601*T L2到L8是行星(金星到海王星)的J2000.0平分点黄经(水星及冥王星的影响忽略),而L'是月球平黄经。

地球速度的各分量,相对太阳系中心 序号 角参数

X',sin  X',cos Y',sin Y',cos Z',sin Z',cos 1 L3 -1719914-2T -25 25-13T 1578089+156T 10+32T 684185-358T 2 2L3 6434+141T 28007-107T 25697-95T -5904-130T 11141-48T -2559-55T 3 L5 715 0 6 -657 -15 -282 4 L' 715 0 0 -656 0 -285 5 3L3 486-5T -236-4T -216-4T -446+5T -94 -193 6 L6 159 0 2 -147 -6 -61 7 F 0 0 0 26 0 -59 8 L'+M' 39 0 0 -36 0 -16 9 2L5 33 -10 -9 -30 -5 -13 10 2L3-L5 31 1 1 -28 0 -12 11 3L3-8L4+3L5 8 -28 25 8 11 3 12 5L3-8L4+3L5 8 -28 -25 -8 -11 -3 13 2L2-L3 21 0 0 -19 0 -8 14 L2 -19 0 0 17 0 8 15 L7 17 0 0 -16 0 -7 16 L3-2L5 16 0 0 15 1 7 17 L8 16 0 1 -15 -3 -6 18 L3+L5 11 -1 -1 -10 -1 -5 19 2L2-2L3 0 -11 -10 0 -4 0 20 L3-L5 -11 -2 -2 9 -1 4 21 4L3 -7 -8 -8 6 -3 3 22 3L3-2L5 -10 0 0 9 0 4 23 L2-2L3 -9 0 0 -9 0 -4 24 2L2-3L3 -9 0 0 -8 0 -4 25 2L6 0 -9 -8 0 -3 0 26 2L2-4L3 0 -9 8 0 3 0 27 3L3-2L4 8 0 0 -8 0 -3 28 L'+2D-M' 8 0 0 -7 0 -3 29 8L2-12L3 -4 -7 -6 4 -3 2 30 8L2-14L3 -4 -7 6 -4 3 -2 31 2L4 -6 -5 -4 5 -2 2 32 3L2-4L3 -1 -1 -2 -7 1 -4 33 2L3-2L5 4 -6 -5 -4 -2 -2 34 3L2-3L3 0 -7 -6 0 -3 0 35 2L3-2L4 5 -5 -4 -5 -2 -2 36 L'-2D 5 0 0 -5 0 -2 在J2000.0赤道坐标中,地球相对于太阳系中心的速度分量X'、Y'、Z'的各序列项在表22.A中。表中,每行的每个正弦或余弦的角参数是L2、L3…等的线性组合,而每行中的数字是相应的正余弦的振幅。以第12行为例: 角A = 5L3 -8L4 +3L5,该行对速度的贡献是: 对X':+8sin(A) - 28cos(A) 对Y':+25sin(A) - 8cos(A) 对Z':-11sin(A) - 3cos(A) 我们取得的速度值的单位是10^-8AU/日。光速c=17314463350AU/日。 那么,恒星视赤经及视赤纬的周年光行差修正值(弧度单位)可由22.4式得到:

要注意的是:表22.A的地球速度各分量,是涉及FK5的,是J2000.0历元固定赤道分点坐标,而不是Date平分点坐标。因此,如果考虑使用Ron-vondrak方法式而不使用22.3式,那么应在计算岁差和章动之前计算22.4式。换句话说,计算顺序是:FK5位置(J2000.0),自行,光行差(使用22.A表及22.4式),岁差(20.3和20.4式),章动(第21章和22.1式)。


例22.b:——让我们再计算θPersei的视位置,2028年11月13.19 TD。这里使用Ron-Vondrak算法。

从例20.b,我们得到恒星在历元2028年11月13.19的坐标,此时,它在J2000.0平分点坐标系统中的坐标是(含自行): α = 2h 44m 12s.9747 = +41°.0540613 δ = +49°13'39".896 = +49°.2277489 这两个值,比例20.b保留了更多的小数位数,以减少舍入误差。我们接下来计算得到: T = +0.288670500 L' = 2428.5515363 弧度 L2 = 298.0035712 弧度 D = 2248.5657939 弧度 L3 = 183.1273350 弧度 M' = 2406.6030750 弧度 L4 = 102.6371070 弧度 F = 2436.1207984 弧度 L5 = 15.8901621 弧度 L6 = 7.0313324 弧度 X' = -1363700 L7 = 7.6400181 弧度 Y' = + 990286 L8 = 6.4126746 弧度 Z' = + 429285

由公式(22.4)得到: Δα = +0.000145252弧度 = +0°.0083223 Δδ = +0.000032723弧度 = +0°.0018749

所以修正了光行差后的新α和δ的值(仍然在J000.0参考系)是: α = +41°.0540613 + 0°.0083223 = +41°.0623836 δ = +49°.2277489 + 0°.0018749 = +49°.2296238

由20.4式计算岁差效果。该时刻的ζ、z、θ在例20.b中已算出。我们得到: A = +0.430549036 B = +0.488867290 C = +0.758706993

新的α = +41°.5555635
新的δ = +49°.3503415

最后,利用公式(22.1)修正章动。由(例22.a)得Δψ = +14".861,Δε = +2".705及ε = 23°.436,我们就得到: Δα1 = +15".844 = +0°.0044011 Δδ1 = + 6".217 = +0°.0017270

因此,所需的视赤经和视赤纬是:

α = +41°.5555635 + 0°.0044011 = 41°.5599646 = 2h 46m 14s.392
δ = +49°.3503415 + 0°.0017270 = 49°.3520685 = 49°21'07".45

请与例22.a比较结果

参考资料:

1、《天空和望远镜》,卷77,第288页(1989年3月)。 2、Robert Burnham,Burnham的《天体手册》,卷III,第2126页(Dover 出版,纽约;1978)。 3、Fifth Fundamental Catalogue(FK5),Veroffentlichungen Astronomisches Rechen-Institut Heidelberg,No.32(Karlsruhe,1988) 4、C.Ron,J.Vondrak,"周年光行差的三角级数展开",Bull.Astron.Inst.Czechosl.,卷37,第96—103页(1986)