图四:银河系坐标的定义 (From WikiPedia)

关于天文中的坐标系的介绍

(欢迎我们天文理科人龙年第一贴. 坐标系是物理学里最基础,最重要, 可能也是最难的概念之一. 而在天文学中,包括天体物理和天体力学,坐标系则更为直接和重要,可以说是天文基础研究中的基础. 还有很多同学是从其它专业转到天文领域,或者对天文领域有一些兴趣,但是没有进行过天文基础的系统学习. 在不同坐标系统之间的变换,很容易出错,而且出错的话会弄大笑话. 我也曾经犯过按照B1950的坐标来测J2000的源表的错误,当测一个发射很强的源却发现是non-detection, 这时候才意识到这种低级错误, 浪费了宝贵的望远镜时间. 所以邵立晶同学今天给大家带来一些有关常用的天文学中坐标系的介绍. 此外提醒一下,图像文件转换坐标系的同时,还需要考虑到不同的投影, 这个可能更加复杂一些,欢迎大家(基情)激情讨论和补充. 如有问题的地方,请大家指正. — ZhiyuZhang )

Title: 关于天文中的坐标系的介绍
供稿: 邵立晶
单位: Max-Planck Institut für Radioastronomie
联系方式: (lshao AT mpifr-bonn Dot mpg Dot de or lshao At pku Dot edu Dot cn)

   由于我没能上一些天文方面的专业课(或者说上课没有好好听),所以对于各种天文的“俚语”不甚了解,特别是天文中的各种坐标系,以及相互的关系,更是让我摸不到头脑。但出于“脱离文盲”的渴望,而且对于时间与空间的了解确实在天文中是非常重要的。所以,我做了一些的调查, 并整理条目如下,希望可以对大家有用. 另外, 推荐大家去搜索北京大学徐仁新教授讲解的《天体物理》的课件(很容易找到,但鉴于版权,本人不上传). 此外, 他的关于天文中的时间与空间的 课件 PPT 也是非常不错的。

本文中所处理的坐标系由于涉及范围基本上限于(银河系)近邻(z~0)宇宙,所以只涉及欧几里德几何。当然,可以扩充到宇宙学,但需要引入相对论效应的修正。

(如文章中有不对的地方,请大家纠正,党克熊 Danke schöne!)

一,时间

1,Julian day & Modified Julian day

* Julian day (JD): since January 1, 4713 BC Greenwich noon (12:00 January 1, 4713 BC, Monday)

* Modified Julian Date (MJD): MJD = JD − 2400000.5 (since 00:00 November 17, 1858, Wednesday) ——这个恐怕是最常见的了吧!

** 各种其他变态的定义,参见这里的表格

** 在这套计时系统中,使用的是最简单常见的单位,如 1 d = 24 h, 1 h = 60 min, etc;这点非常重要!

2,Besselian years & Julian years and J2000

* Besselian years: 基本已是昨日黄花,从 1980s 起,基本用 Julian years 了。为了区分,常用 ‘.0’ 来标记是 Besselian years,如 ‘1950.0’ = ‘B1950.0’。

* Julian years: ‘J2000’ refers to the instant of 12h on 1 January 2000

** 都使用 1 year = 365.25 d

 

二,空间

~~~~~~~~ 首先很有必要声明的一点是,上面的关于时间 (epoch) 的定义是跟空间坐标的定义紧紧的关联的. 不同的时间系统的选择导致了不同的空间坐标系! 比如说,在Besselian 系统的坐标与 Julian 系统的坐标就是不一样的, 而且在Besselian 和Julian 系统中分别还需要指定是哪个 epoch, 也即指定是 B1900, B1950, 或者 J2000. 这也就是为什么标明天体坐标的时候,需要声明用了哪个 epoch。如,著名的 Hulse-Taylor 双星在 B1950 系统的坐标是 R.A. 19h 13m 12.4655s Dec. 16° 01′ 08.189'' 简称 B1913+16,而在 J2000 系统中是 19h15m28.01217s +16° 06’27.6214'', 简称 J1915+1606。同时,更古老的 B1900 的坐标同B1950 的坐标也并不相同。 这是因为春分点不是静止的,它是动的!所以我们的坐标架是动的! Oh, my god, I don’t like it! 细节参见这里

“The equinox with equator/ecliptic of a given date defines which coordinate system is used. Most standard coordinates in use today refer to 2000 Jan 1.5 TT (i.e. to 12h on the Terrestrial Time scale on 2000 Jan 1). Before about 1984, coordinate systems dated to 1950 or 1900 were commonly used.”

** 春分点是赤道面与黄道面相交的方向。

1,Equatorial coordinate system 赤道坐标系

图一: 赤道坐标系(From Wiki)

* 参考物体:地球赤道

* 坐标:Right Ascension & Declination

R.A. (right ascension,α): wrt vernal equinox, usually measured in sidereal hours instead of degrees

Dec. (δ): The latitudinal angle of the equatorial system

** R.A. 是用小时,分钟,秒; 而Dec.则用角度, 角分, 角秒. 所以在R.A. 上走1秒, 的角距离是Dec. 上角秒的 15 倍.

** 顺便提一下 horizontal coordinate system,这就是说把自己作为坐标系的参考物体;这个做法是不太好的,因为这样一来,很多天体的坐标会取决于你在哪个时间点在哪里观测! — 但是这种坐标在实际观测的时候还是实用的, 你需要知道天体在水平方向的位置,以及俯仰的高度,以便更好的调正操作望远镜.

** 就像前面使用春分点一样,由于地球本身作为参考物体是运动的,所以我们需要指定 epoch 来明确我们参考的是“何时的地球”——J2000.0 or B1950.0。

图一:赤道坐标系 (From WikiPedia)

2,Ecliptic coordinate system 黄道坐标系

图二:黄道坐标系 (From WikiPedia)

* 参考物体:地球绕日轨道

* 坐标:ecliptic latitude & ecliptic longitude

“The latitudinal angle is called the ecliptic latitude or celestial latitude (denoted β), measured positive towards the north. ”

“The longitudinal angle is called the ecliptic longitude or celestial longitude (denoted λ), measured eastwards from 0° to 360°.”

** 所以,赤道坐标系与黄道坐标系的唯一的差别就只在于ε = 23° 26′ 21.406″ , the Earth’s axial tilt as of J2000, known as the mean obliquity of the ecliptic。具体的坐标变换关系就非常简单了,参见这里.

centered on the Sun and is aligned with the apparent center of the Milky Way galaxy. The “equator” is aligned to the galactic plane;其他的内容可参见图三和图四。

3,Galactic coordinate system 银道坐标系

图三:银河系的经度的定义 (From WikiPedia)
图三:银河系的经度的定义 (From WikiPedia)
图四:银河系坐标的定义 (From WikiPedia)
图四:银河系坐标的定义 (From WikiPedia)

参考物体:银河平面,原点是太阳

** 需要谨记的仍旧是,这套银河坐标系仍旧是时间依赖的,太阳绕着银河系在转,remember?

感谢 wiki 提供的各种信息与图片!

转换不同类型坐标系的非常实用的网站:

B1950, J2000, GC 之间转换:
NED Coordinate Transformation

使用几种软件让图像文件不同坐标系之间转换的命令:

Gildas/GREG go re_project 很实用,但是有图像大小的限制, 有时候会出一些奇怪的错误.
Miriad Regrid 迅速,实用,但是不够精准, 到了高分辨率亚角秒量级可能会比较明显.
AIPS REGRD 相对最精准

欢迎同学们下面在评论中可以给出更多更好的坐标系转换之间的经验.

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14 Replies to “关于天文中的坐标系的介绍”

  1. Ye Quanzhi

    Firefox 9.0.1 Windows XP

    话说没有提到行星科学里用的最多的日心坐标啊!但作为弄太阳系的人表示非常惭愧…… 最基本的概念我还是不清不楚……

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