Thiên Cầu là một hình cầu tưởng tưởng mà tâm trùng với tâm Trái Đất (một số tài liệu ghi tâm là nơi ta đứng quan sát), có bán kính vô cùng lớn. Các thiên thể ở rất xa ta coi như chúng nằm trên mặt của Thiên Cầu.

I.Thiên cầu.

1.Khái niệm Thiên Cầu

Thiên Cầu là một hình cầu tưởng tưởng mà tâm trùng với tâm Trái Đất (một số tài liệu ghi tâm là nơi ta đứng quan sát), có bán kính vô cùng lớn. Các thiên thể ở rất xa ta coi như chúng nằm trên mặt của Thiên Cầu.

Hình 6.1: Thiên Cầu

2.Nhật động.

Do sự tự quay của Trái Đất, ta thấy các thiên thể mọc ở phía Đông, lặn ở phía Tây. Quá trình này tuần hoàn theo thời gian từ ngày này qua ngày khác. Vì các thiên thể ở rất xa nên chúng ta thường coi chúng bị gắn chặt vào thiên cầu, vì vậy chúng ta tưởng tượng rằng thiên cầu đang quay. Sự quay của Thiên cầu trong một ngày đêm gọi là Nhật động.

3.Những đường, điểm cơ bản trên Thiên Cầu.

–Cực Vũ Trụ : Thiên Cầu quay quanh một trục gọi là trục cực. Trục cực cắt Thiên cầu tại 2 điểm gọi là 2 cực Vũ Trụ : Cực Vũ trụ Bắc và Cực Vũ trụ Nam. (Thiên cực Bắc và Thiên cực Nam). Hiện nay Thiên cực Bắc gần với sao Bắc Cực. Do hiện tượng Tiến động và Chương động của Trái Đất mà sao α trong chòm Tiểu Hùng chỉ cách Thiên cực Bắc khoảng 1o . Nhưng trong tương lai, Thiên cực sẽ di chuyển là nằm gần một ngôi sao khác và ngôi sao đó sẽ trở thành Sao Bắc Cực mới.

Hình 6.2 : Thiên cầu và các Cực Vũ Trụ
Hình 6.3 : Quỹ đạo vị trí Thiên cực Bắc trên theo thời gian

–Đường chân trời: Mặt phẳng ngang hay mặt phẳng chân trời, cắt thiên cầu theo một vòng tròn lớn gọi là đường chân trời.
–Thiên đỉnh, Thiên để: Đường thẳng vuông góc với mặt phẳng chân trời và cắt mặt phẳng chân trời tại vị trí người quan sát, đường thẳng này cũng cắt thiên cầu tại một điểm gọi là Thiên đỉnh. Điểm đối tâm với Thiên đỉnh gọi là Thiên để.
–Xích đạo trời: Mặt phẳng chứa xích đạo Trái Đất, kéo dài và cắt thiên cầu theo một vòng tròn lớn gọi là xích đạo trời.

–Kinh tuyến trời, Vĩ tuyến nhật động:
+ Vòng tròn đi qua Thiên cực Bắc, Thiên cực Nam và thiên đỉnh gọi là kinh tuyến trời.
+ Do Nhật động, các ngôi sao trên Thiên cầu sẽ vẽ lên những vòng tròn song song với nhau. Những vòng tròn này gọi là vĩ tuyến nhật động. Vĩ tuyến nhật động càng gần thiên cực thì chu vi càng nhỏ.

Hình 6.4 : Kinh tuyến trời và Vĩ tuyến Nhật động

–Thiên cầu Bắc và Thiên cầu Nam: Xích đạo trời chia Thiên cầu thành 2 nửa : Nửa chứa Thiên cực Bắc gọi là Thiên cầu Bắc, nửa chứa Thiên cực Nam gọi là Thiên cầu Nam.

II.Các hệ tọa độ Thiên văn

1.Hệ tọa độ đường chân trời.

–Vòng thẳng đứng: là những vòng tròn lớn đi qua thiên đỉnh và vuông góc với đường chân trời.
-Độ cao thiên thể (h): là khoảng cách góc từ đường chân trời đến thiên thể trên vòng thẳng đứng đi qua thiên thể. VD : HS = SS’.
-Khoảng cách thiên đỉnh (z) : là khoảng cách góc tính từ thiên đỉnh đến thiên thể trên vòng thẳng đứng đi qua thiên thể. VD: Zs = 900 – Hs .

Hình 6.5 : Độ cao thiên thể và phương vị

-Phương vị (A) : là khoảng cách góc giữa mặt phẳng chứa kinh tuyến trời và mặt phẳng chứa vòng thẳng đứng qua thiên thể. Tính theo chiều nhật động. VD: AS = NS’.

2.Hệ tọa độ Xích đạo I.

-Đường cơ bản : Xích đạo trời và Kinh tuyến trời.
-Điểm cơ bản: Thiên cực (P), điểm cắt giữa Xích đạo trời và Kinh tuyến trời X’
-Xích vĩ δ : là khoảng cách góc từ Xích đạo trời đến thiên thể S.
δS = SS’
-Góc giờ t : là góc giữa kinh tuyến trời và vòng giờ qua thiên thể S, tính từ S’ theo chiều Nhật động (tức hướng sang Tây).
tS = X’S’

Hình 6.6 : Hệ tọa độ xích đạo I

3.Hệ tọa độ Xích đạo II.

-Đường cơ bản : Xích đạo trời.
-Điểm cơ bản : Điểm xuân phân γ (là 1 trong 2 giao điểm của vòng Hoàng đạo và mặt phẳng Xích đạo trời) .
-Tọa độ : Xích vĩ δ và xích kinh α
-Xích kinh α của thiên thể S là góc giữa vòng giờ qua điểm Xuân phân γ và vòng giờ qua S tính từ điểm γ theo chiều ngược với chiều nhật động.
αS = γS’

Hình 6.7 : Hệ tọa độ Xích đạo II

Lưu ý: xích vĩ d và xích kinh a đều không bị thay đổi vì nhật động và không phụ thuộc nơi quan sát.
Ngoài ra còn có Hệ tọa độ Thiên hà với mặt phẳng cơ bản là mặt phẳng Thiên hà.

III.Quan sát bầu trời sao ở những vĩ độ khác nhau.

1.Độ cao của Thiên cực và vĩ độ φ nơi quan sát.

– Độ cao của Thiên cực bằng vĩ độ địa lý của nơi quan sát.
-Xích vĩ của thiên đỉnh bằng vĩ độ địa lý của nơi quan sát.

2.Hiện tượng mọc và lặn của Thiên thể do Nhật động.

-Do Nhật động. các thiên thể vẽ lên những vòng tròn nhỏ song song với Xích đạo trời. Tùy theo vĩ độ φ của nơi quan sát mà Xích đạo trời tạo với đường chân trời một góc xác định (900 – φ).
-Từ đó vòng Nhật động có thể :
+ Cắt đường chân trời tại 2 điểm: Thiên thể có mọc, có lặn (mọc ở phía Đông và lăn ở phía Tây)
+ Không cắt đường chân trời: Thiên thể không bao giờ mọc hoặc không bao giờ lặn.
-Nếu xích vĩ δ thỏa mãn:
+ ǀδǀ < 900 – ǀφǀ : Vòng Nhật động cắt đường chân trời. Thiên thể có mọc, có lặn.
+ ǀδǀ > 900 – ǀφǀ : Vòng Nhật động không cắt đường chân trời. Thiên thể không bao giờ mọc hoặc không bao giờ lặn.

3.Quan sát bầu trời sao ở những vĩ độ khác nhau.

-Ở địa cực (φ = 90o) : Xích đạo trời trùng với đường chên trời, các vòng Nhật động song song với đường chân trời. Ở địa cực Bắc : Thiên thể có xích vĩ dương (δ > 0) sẽ không bao giờ lặn. Sao có xích vĩ âm δ < 0 sẽ không bao giờ mọc.
-Ở Xích đạo (φ = 0o) : Trục Vũ trụ trùng với đường Bắc Nam, Xích đạo trời vuông góc với đường chân trời. Khi Nhật động tất cả các sao trên trời đều cắt đường chân trời (vuông góc). Như vậy tất cả các sao trên trời đều có mọc, lặn (thời gian mọc bằng thời gian lặn). Ta có thể quan sát được toàn bộ bầu trời sao.
-Ở vĩ độ trung gian : Tùy thuộc vào vĩ độ nơi quan sát và xích vĩ của các thiên thể mà thời gian ở trên đường chân trời và dưới đường chân trời sẽ khác nhau. Những thiên thể có xích vĩ δ = 0, thời gian ở trên đường chân trời và dưới đường chân trời bằng nhau. Ở vĩ độ trung gian không thể quan sát hết bầu trời sao.

4.Sự biến thiên tọa độ của thiên thể do Nhật động.

-Tọa độ chân trời của thiên thể biến thiên liên tục do Nhật động với chu kì bằng chu kì Nhật động.
-Tại thời điểm lặn, mọc, độ cao của thiên thể bằng không, phương vĩ phụ thuộc xích vĩ thiên thể và vĩ độ nơi quan sát. Từ lúc mọc đến lúc qua kinh tuyến trên độ cao tăng dần. Tại kinh tuyến trên độ cao của thiên thể đạt cực đại, phương vĩ bằng không (nếu ở Nam thiên đỉnh), hoặc 180o (nếu ở Bắc thiên đỉnh). Từ đó đến lúc lặn độ cao thiên thể giảm dần. Góc giờ t biến thiên liên tục : tại thời điểm qua kinh tuyến trên t = 0, qua kinh tuyến dưới t = hay 12h. Góc giờ biến thiên đều đặn làm cơ sở cho việc xác định thời gian.

Nguyễn Văn Tân – DAC

Tài liệu tham khảo:
Làm quen với bầu trời – Phan Văn Đồng
Bản dịch Atlas d’Astronomie – Đặng Vũ Tuấn Sơn
Giáo trình Thiên Văn Học Đại Cương – Phạm Viết Trinh, Nguyễn Đình Noãn