章
天体的运行
节 我们的星系
在讲述整个天文系统之前，为了对这个世界有更加宏观、系统、全面的认知，就让我们站在自我之外，像灵魂出窍一样，去大胆想象一下：好比你有特异功能，能够以上帝视角来观看人类世界，现在，你处于整个空间遥远的一点，远远地观望这个空间，具体有多远呢？若用每秒30万千米的光速来测算，你所站立的位置，大概需要100万光年才能到达。这是怎样的一个概念？要知道，光绕地球七圈半，用时也才不过1秒。
你所在的那个点，如此遥远，又如此空旷。周围没有一丝光亮，完全笼罩在一片密不透风的黑暗中。在那个广袤孤独的空间里，突然，你搜索到一点特殊的存在，它是一片类似于微云的光亮，尽管它微弱得犹如晨曦，渺小得犹如光斑，但它在黑暗中格外耀眼。你再凝神一看，发现在其他方向，也隐约有类似的光斑，不过那些光斑离我们更加遥远。现在，我们就来说说你初看到的那块光斑，也就是“我们的星系”。
究竟需要多快才能到达那片光亮呢？我们不得而知，但是可以做一个大胆的假设，如果你预定在一年内“飞”到那里，那么你飞翔的速度要比光速还快100万倍才行。至少在人类已知科学的基础上，这是不可能的，因为科学告诉我们，光速是世上快的速度。不过在我们的思维里，可以假设你正以比光速还要快的速度靠近那个光斑，你会发现，我们越靠近它，它的光亮就越明显，逐渐蔓延开去，填满你的视线，将一片漆黑丢在你的身后，将一片光亮呈现在你的面前。
光亮越来越近，你打算朝着其中一颗星星飞去。它并不大，在璀璨光云里它是那样普通，你放缓速度，慢慢朝它靠近。一开始，它微弱的光斑舒展开来，逐渐明亮起来；随后，它像烛火一样有些耀眼；然后，它的光芒能投射出影子来；紧接着，那光线竟然能够照亮书本上细小的字迹；后，它变得璀璨夺目，光芒耀眼。你继续朝它飞去，渐渐能感觉来自它的热量。它看起来就像是一个小太阳，啊！正是啊！它正是太阳啊，那个给予我们温暖和能量，离人类近的恒星——太阳啊！
你无法丈量这偌大的空间到底有多大，它只用那无边无际的黑暗作答。即使你以100万倍光速飞向太阳，但你仍然离它很远，用人们常说的距离描述，大概有几十亿千米那么远吧。而当你在所处的位置看向太阳，你会发现它并不孤独，因为在它的周围环绕着8颗星状光点，那8颗星星远近不一、大小相异，离太阳远的一颗，比离太阳近的一颗远上80倍。当然，若你用比自己生命还要长很久的时间去观察它们，你就会发现，它们都在以自己的速度围绕太阳运转，快的一颗星星，只需要3个月便能转一圈，而慢的一颗要165年才能转完一圈。这8颗星，就是太阳系中的8颗行星。而区分行星与恒星的方法是：恒星本身能发光，而行星本身是黑暗的，只能依靠恒星获得光亮。
围绕着太阳的这8颗行星在各自的轨道上运转，我们可以想象自己飞向了由近及远的第三颗行星，就好比一次远道而来的探访。我们离它越近，就越能感受到它的光亮，以至于后来，我们看到它悬挂在远方，犹如现在我们看到的月球一样，它一半隐在黑暗中，一半被太阳照得闪耀。我们继续朝它飞去，越来越近，它被太阳照亮的部分被逐渐放大，我们可以看到这颗行星表面的许多斑点，随着我们离它越来越近，哦，那不是斑点，而是陆地和海洋，虽然它们大半部分被云遮蔽，以至于我们没办法看到完整的表面，但是我们还是能看到这颗行星的暗面，除了陆地和海洋，还有许多暗的建筑物和耀眼的光点，而这正是我们人类的杰作，它们是不眠不休的城市和五光十色的霓虹灯。我们朝着它继续飞去，离那些熟悉的建筑物越来越近，直到我们置身其中，双脚着陆，而此刻，也预示着我们，从广袤的宇宙中回到了人类赖以生存的家园——地球。
其实我们在飞行的过程中，经常会随着距离的变化，发现之前不能被肉眼所看到的星球，它们发出光芒，可是再近一些我们会发现，它们本身并不能发光，只是一些不透明的球体，而地球，正是这些星球中的一个。
若回顾一下这次飞行之旅，你一定会感到妙不可言，因为这让你看清了一个事实，那就是在漆黑的暗夜里，那些成千上万的星星其实都是“太阳”级别的星球，甚至我们可以说，太阳在那些看似渺小的星星中，其实是微不足道的。或许你看到太阳很大，但那只不过是因为你离太阳很近，实际上，在那些渺小如针眼的星星里，还有很多星星散发出来的光与热，比太阳高千倍万倍。
这次太空旅行告一段落，我们所看到的一切，就是我们所要讲述的星辰系统。正如我们朝着地球飞行所看到的一样，我们越靠近地球，眼中所见的景就越接近我们平时站在地面上所看到的样子。我们飞过的星辰，都成为地球上所看到的散布天空的星星。实际上，我们站在地球上去看整个天空，与站在某一个遥远的地点去观测是有很大差别的。因为当人们站在地球上时，太阳的光芒是如此耀眼，它的万丈光芒足以掩盖住遥远星辰微弱的光，这便是白天我们看不到星星的缘故。可是如果想象一下，将太阳的光芒遮住，我们就能看到，在我们的四周布满了其他星辰，即使是在白天，我们也能如同夜晚一样看到星星，就像很久以前，我们的祖先所臆想的那样，地球位于宇宙的中心，四周散布着其他星辰。
太 阳 系
宇宙中的星系，大多是以一颗主星为中心，其四周围绕着许多其他的星星。我们所居住的太阳系也是这样，以太阳为中心，周围围绕着包括地球在内的行星。其实太阳系在宇宙中并不算大，我们可以这样来想象，即使从太阳系的一端飞到另一端，我们眼中所看到的宇宙的景象依然不会有变化，在太阳系的周围，仍然包裹着漫天的星星和无边的黑暗，我们所看到的宇宙中的星星，与我们站在地球上所看到的差不多，它是如此硕大，而它又是如此渺小。
其实，想要更加具体地感知太阳系的范围，我们可以充分发挥想象。当然，我不会用枯燥无味的数字让你做概念化的记忆，因为人们对于过大的数字其实并没有多么直接的感受。接下来，就让我们来做一个宇宙的模型，来帮助大家对太阳系做一个具象的感知。假如我们拿一粒芥子来充当地球，以这个比例来计算宇宙中其他的星星，那么月球便是一个直径只有芥子四分之一大小的星球，我们把这个代表月球的四分之一芥子，放在代表地球的芥子2.5厘米的地方，然后在离地球12米的地方放一个苹果来代表太阳。而太阳系中的其他行星，大小不一，距离不等，它们小到如微尘，大到如豌豆，它们离太阳近到4.5米，远到360米。将这些模型都放好了之后，我们就可以想象，这些小东西都围绕着太阳公转，当然，公转的周期并不相同，它们长年累月围绕着太阳，以自己的速度旋转着，而月球则围绕着地球旋转着，月球旋转的周期是一个月一圈。
以这个比例来计算，整个太阳系也不过只需要2.6平方千米大小的空间就能容纳了，在太阳系以外的空间里，除了彗星有可能在边界之上，几乎没有其他的星星在附近。我所说的附近指的就是即使以此比例，即使我们跑出比美洲更宽广的范围，可能也一无所见。而那颗星星也和太阳一样，可以用一个苹果大小来代表。在更远的地方，各个方向都有许多星星，而它们与太阳之间的距离，都十分遥远，比刚刚那颗离太阳近的星星还要遥远。如此看来，即使把地球模型缩小到一粒芥子那么大，也很难容下三颗以上的星星了。
这个模型一旦建立，我们就有很具象的感知和认识了。可以想象，当我们飞行在宇宙中，无论多么细心，肉眼都无法看到像地球一样的小东西，它就好比是密西西比河流域里的一粒芥子，人们从它上方飞过，是不可能看到它的。而且，即使是太阳系的主星太阳，也不会引起人们的注意，因为除了在一旁驻足停留，谁会注意到这个苹果大小的东西呢？
第二节 天体形貌
由于星辰之间的距离如此遥远，而人类的肉眼还不够强大，这就使得人们对于宇宙的大小、形成很难一目了然，更不用说目测这些天体之间的距离了。如果人类的视力强大到可以看到无限远，而又能无限清晰，那么我们就能看到不同星辰的面貌了，它们的表面有着怎样的地貌，它们有着怎样的形状……那么宇宙也将在这种情况下“现出原形”。
其实道理是一样的，如果我们离地球很遥远，具体有多遥远呢？或许只需要站在它直径一万倍的地方，肉眼就看不到地球的大小了，只能看到一个点，就像我们在夜空中看到的其他星星一样，它一闪一闪，发出微弱的星光。正是因为人眼的局限性，使得古人们认为，天空中所看到的星星就是它们本身的样子，而我们的地球是和它们不一样的。这并不能责怪古人，因为在当时，科学技术并不发达，他们无法观测到那些星星真实的样子，就好比一个从未学习过天文学的孩子，他看到夜晚的星空，也会像古人一样，认为那些星星是分布在天空的一个等距离位置，他无法想象，这些恒星比行星要大上千万倍。随着科技的进步、数学的发展和逻辑的发达，人类逐渐能够知晓许多星星的真实面貌和实际距离，但是人们脑海中还是很难绘制出一幅真实存在的星空关系图，因为这些星星之间的距离实在是太大了，以至于这样巨大的尺度差异超越了人们的想象。所以，我希望读者们能够紧跟着我的思路，把我们双眼看到的情况与实际星空的情况用简洁的方式表达出来，这需要我们的想象力，也需要我们的逻辑构建。
现在就让我们大胆想象一下，假如脚下的地球是不存在的，我们飘浮在宇宙之中而毫无着落，环顾四周，我们能看到什么情形呢？可以推测的是，在上下左右各个方向，围绕着太阳、月球、星星、恒星各种天体，我们无法判断它们的方位，而且也看不到其他的东西，因为在我们眼中，这些星星都是等距离的。
若以此假设，我们将会错误地认为自己正处于宇宙的中心。为什么呢？那是因为，我们的视线所及是有限的，以我们自己为中心，以等距离望向空洞的空间时，所有的可见物都将会位于一个空洞球体的表面，而我们看到的成千上万的星星都似乎散布在一个球体的表面，这个球体便是早时天文学家们所谓的“天球（celestial sphere）”，人们在这个天球上研究各个天体的方位，并不是没有道理的。
如果没有地球为参考物，我们会看到，天球上所有的天体都停止了运转，不过如果我们用一段时间去观察，一个星期，或者更长时间，就会发现，一些恒星正在围绕着太阳慢慢运转。当然观察结果与天体各自的情形有关，所以古人推测出了一个嵌套理论，那便是：大天球是由一种异常坚固的水晶构成的，而这些天体都被牢牢地钉在天球表面，并且它们之间存在一些联系。如此一来，这种理论似乎与人们看到的实际情况是完全相符的，并且以之来表述天体之间的距离似乎并没有什么毛病。
以此概念为前提，再来想象一下，如果我们脚下的地球仍然存在，虽然它在宇宙中十分渺小，但是对于人类来说还是十分庞大的，毕竟当我们站在地球之上时，就好比是站在西瓜上的蚂蚁。因此，我们所能看到的宇宙将会被地球表面遮住一半，我们所能观测到的宇宙边界，则被称为地平线，在地平线上所能看到的一半天球，则被称作“可见半球（visible hemisphere）”；反之，地平线以下，看不到的那一半天球则被称为“不可见半球（invisible hemisphere）”。如果我们想要完整地观察整个天球，倒是可以通过环游地球的方法来实现。
如果地球不自转，或许正如上面所说，人们需要周游地球来观察另一半天球。可是众所周知的是，地球一刻不停地绕着一根通过它中心点的轴线旋转着，如此一来，我们只需要跟随着地球的自转，就能看到整个天球。也正是因为地球由西向东自转，所以我们便看到天体的东升西落。我们将地球的自转以及因为地球自转而发生的天体视运动称为“周日运动（diurnal motion）”，之所以这么称呼，是因为地球的自转周期为一天。
永恒的天体运动
理解地球自转并不难，而由地球自转引起的天体周日视运动就要复杂得多。我们知道，当一个人站在地球的不同经纬度时，他所观察到的天象是不同的。因此，为了将地球自转与天体周日视运动之间的关系表达出来，我们选定一个固定的位置，以地球北纬中部地区为例，来进行详细的解说。
首先，我们可以用一个空间来表示天球，想象一个直径10米左右的大圆球，它的内部是空的，这个微缩版的天球模型，我们用图1的示意图来表示，这个大球的两端P和Q是固定不变的，如此，大球就能围绕着PQ这条中轴线旋转。大球的中心点O代表着地球，而NS所代表的平面就好像是一个盘子，人们在这个盘子上端坐着，能够看到盘子之上大球内部的景象，在大球的内部和表面，是成千上万的星座，而在盘子的下方，则是被地球挡住的“不可见半球”，显然，这个像盘子一样的平面，正代表着地平面，而它与天球的交线，即为地平线。
图1天球示意图
现在，就让我们来假设一下，大球将会以PQ为轴线转动起来，这其实是模拟了因为地球自转而看到的星辰视运动。我们可以发现，在PN圈以上的星星会围绕着P点等距离旋转，永远不会到地平线以下；而在KN到SK之间的星星，将会随着运转，时而可见，时而沉没不见；位于EP圈上的星星，恰好位于PQ的中垂面上，它们的旋转轨迹盘上盘下各占一半；而位于ST圈内的星辰则永远也不会旋转到盘上来，这就代表着，我们将看不到这些星辰。
其实，天球正如这个模型一样，只不过它更大，大到超乎我们的想象。不过天球的运转规律的确是这样，以一条直线为中轴线毫不停歇地旋转，日复一日，年复一年，而且，太阳、月球、星星也跟着它一同旋转，不过，有趣的是，这些星辰就好像是被钉在这个天球上一样，它们的位置是固定的，人们在观看星星运转时，就好像在观看一场阅兵仪式一样。因此，如果你在某一天夜里站在某一个点上拍出星星的移动轨迹，那么你会发现，无论你在任何时间再在同一个地方拍出星星的移动轨迹，两张照片中，星星的轨迹都是恒定不变的。这的确是一件很有趣的事，因为它让人相信，这世上会有永恒。
天球模型上的P点，就是人们所说的“天球北极（north celestial pole）”。地球上大部分的居民都居住在北纬中部，因而大部分的人仰望天空时，天球北极正处于北天上，也就是天顶与北方地平线的正中。从地球由北向南观察，你就会发现，越往南方，北极就越接近地平线，而有趣的是，北极与地平线的夹角度数，与我们所在地纬度相同。
北极星，大家都熟悉，它是离北极，也就是模型中的P点极为接近的一颗星星。我们都知道，迷路的时候若能找到北极星，就能找到北方。这是为什么呢？因为它离北极的夹角只有1°多一点，而正如我们知道的，天球上星辰的轨迹是恒定的，因此，北极星所在的位置，可以代表北极所在。北极星是如此重要，因而在之后的章节中，我们会专门谈到如何去找寻北极星。
在天球北极的对面，对应着“天球南极（south celestial pole）”。天球南极到地平线的距离与天球北极相同，但是与之不同的是，天球南极永远在地平线的下方，这是因为地平线与南北极之间存在一个夹角。也正是因为这个原因，在我们的纬度上观看日出，就会发现太阳从地平面升起之后并没有一直向头顶上升，而是向南方与地平线成锐角倾斜着上升的，当然，日落也是一样，会与地平线相倾斜。
如果我们有一个大圆规，大到可以连接天界，我们将它的一脚固定在天球北极P点，然后以不同的半径画出各种圆圈，就会发现，的圆圈与地平线相交，并且互相平分，而在北纬地区，与地平线相切，越往北极靠近，越与地平线相离，于是我们将与地平线相切的这个圆圈称为“恒显圈（circle of perpetual apparition）”。也就是说，在恒显圈之内的星星，永远都在地平线之上，它们每天都会围绕着北极转动一周，但它们永远不会落下。
由北向南，在恒显圈以外的星星便开始有升有落了，而且越往南极走，会发现星星升起的时长越来越短，接近南方某一点时，那里的星星甚至只在地平线上冒出一个头就落了下去，而更下面的星星则如隐居山林了一般，人们更是看不到它们的身影。
人们把这些在我们所在纬度看不到的星星所在的位置称为“恒隐圈（circle of perpetual occultation）”，天球南极正是恒隐圈的中心。图2就是恒显圈内的主要星座景象，如果你想要看某一天晚上8点钟北天上的星座景象，只需要将适当的月份转到上面就可以了。而之前我们提到的，如何寻找北极星在这里也找到了答案，若你看到了大熊星座的七颗星星，也就是人们常说的北斗七星，那么你只需要顺着两颗“指极星（Pointers）”的延长线，向着斗口延长5倍距离，就能看到北极星了。
图2 北天与北极星
不过，在不同纬度看到的星辰景象是不同的。可以试想一下，如果我们变换了位置，看到的天空还是一成不变的吗？答案当然是否定的。当我们从之前假想的位置向南走，就会发现，北极星的位置在渐渐下沉，越来越接近地平线，到了某一个点，我们会发现，北极星正好位于地平线上，此时，我们便位于赤道上。而恒显圈也在我们由北向南的运动中变得越来越小，直到赤道，就完全看不到了。而此时，南极和北极则分别位于南北方向的地平线上，天空的星辰景象，也都发生了变化，无论是太阳、月球，还是星辰，都将径直升起，不会发生偏转。正东方升起的星星，将会经过天顶，然后落向正西方；东南方升起的星星，将会径直上升，经过天顶南边落下，东北方的星星亦是如此。
从赤道继续往南走，就到了南半球，这场旅行又会有不一样的景观。我们可以看到太阳从东方升起，点在天顶的北方。这作为大多数位于北纬的居民来说是不可思议的，因为太阳视运动的相反，是南北半球的不同之处，因此，在南半球观测太阳的周日运动，就会发现，太阳的运动轨迹与北半球不同，如果说北半球的太阳视运动是顺时针方向，那么在南半球，则是逆时针方向了。而到了南半球，很多我们熟悉的北天星座就隐而不见了，但同时，我们也能看到许多南天星座，例如著名的南十字座，就因为它的绚烂美丽而令人叹为观止，甚至人们因此会觉得南天的星座要比北天多，要比北天美丽，其实不然，南天和北天的星座数量是差不多的。人们之所以会这样认为，是因为南天的天气比北天更加晴朗，并且南美洲和南非洲的气候都十分干燥，鲜有烟雾，这就会让人们产生上述的误解。
当然，北天星辰绕着北极运转的规律在南天同样适用，但是由于南天并没有南极星，南极没有什么像北极星一样具有明显标志方向的星星，因而不能据此来判断南极的位置。
当然，南极也有恒显圈，在恒显圈内的星星是永不落下的，它们始终悬挂在天空中，围绕着南极旋转，越靠近南极，看到的恒显圈越大，而此时，也就出现了恒隐圈，那便是之前我们在北纬所看到的许多星星。大概在南纬20°的地方，小熊星座就沉到地平线之下了，再往南，大熊星座也隐而不见，而当人们无限接近南极点，就会发现，所有的星星都围绕着南极旋转，不会上升，也不会沉落。