Hệ tọa độ thiên văn

Định hướng tọa độ thiên văn

Trong thiên văn học, hệ tọa độ thiên văn là một hệ tọa độ mặt cầu dùng để xác định vị trí biểu kiến của thiên thể trên thiên cầu.

Trong tọa độ Descartes, một vật thể có ba tọa độ trong không gian ba chiều được xác định trên ba trục x, y và z. Ngược lại hệ tọa độ thiên văn của thiên thể không xác định khoảng cách đến người quan sát mà chỉ xác định các hướng quan sát của nó trên thiên cầu.

Có nhiều loại hệ tọa độ thiên văn khác nhau, được phân biệt và được đặt tên theo mặt phẳng tham chiếu (mặt phẳng cơ bản), hay các trục chính của hệ tọa độ. Mặt phẳng tham chiếu cắt thiên cầu tại đường tròn lớn nhất, chia thiên cầu thành hai nửa bằng nhau.

Định nghĩa các trục và mặt phẳng trong các hệ tọa độ có thể dùng hệ thống B1950 hay hệ thống J2000 hiện đại hơn.

Có nhiều hệ tọa độ được dùng trong thiên văn, trong đó các hệ tọa độ phổ biến là:

Hệ tọa độ[1] Tâm của thiên cầu (điểm gốc tọa độ) Mặt phẳng cơ bản

(vĩ độ 0°)

Điểm cực

(vĩ độ ±90°)

Tọa độ Hướng cơ bản

(kinh độ 0°)

Vĩ độ Kinh độ Chân trời (còn gọi là hệ alt-az hay el-az) Người quan sát Chân trời Thiên đỉnh, thiên để Góc cao hay độ cao (a) Góc phương vị (A) Điểm hướng nam hoặc bắc trên chân trời Xích đạo Tâm của Trái Đất (địa tâm) hoặc Mặt Trời (nhật tâm) Xích đạo thiên cầu Thiên cực Xích vĩ (δ) Xích kinh (α)

hay góc giờ (h)

Điểm xuân phân Hoàng đạo Hoàng đạo Hoàng cực Hoàng vĩ (β) Hoàng kinh (λ) Thiên hà Tâm của Mặt Trời Mặt phẳng Ngân Hà Cực thiên hà Vĩ độ thiên hà (b) Kinh độ thiên hà (l) Trung tâm Ngân Hà Siêu thiên hà Mặt phẳng siêu thiên hà Cực siêu thiên hà Vĩ độ siêu thiên hà (SGB) Kinh độ siêu thiên hà (SGL) Giao điểm của mặt phẳng siêu thiên hà và mặt phẳng Ngân Hà

Dưới đây đưa ra các phép chuyển đổi giữa các hệ tọa độ thiên văn.[2] Xem lưu ý trước khi sử dụng các phương trình.

h = θ L − α or h = θ G + λ o − α α = θ L − h or α = θ G + λ o − h {displaystyle {begin{aligned}h&=theta _{text{L}}-alpha &&{mbox{or}}&h&=theta _{text{G}}+lambda _{text{o}}-alpha alpha &=theta _{text{L}}-h&&{mbox{or}}&alpha &=theta _{text{G}}+lambda _{text{o}}-hend{aligned}}}

Các phương trình cổ điển sau, được suy ra từ tính toán lượng giác cầu, đối với các phương trình cho tọa độ kinh độ được viết bên phải dấu ngoặc nhọn; chỉ cần chia phương trình thứ nhất cho phương trình thứ hai để có được phương trình với hàm tan thuận tiện hơn bên trái (phép chia này là không rõ ràng vì tan có chu kỳ 180° (π) trong khi cos và sin có chu kỳ 360° (2π)).[3] Công thức tương đương với ma trận quay được cho bên dưới mỗi trường hợp.[4]

tan ⁡ ( λ ) = sin ⁡ ( α ) cos ⁡ ( ε ) + tan ⁡ ( δ ) sin ⁡ ( ε ) cos ⁡ ( α ) ; { cos ⁡ ( β ) sin ⁡ ( λ ) = cos ⁡ ( δ ) sin ⁡ ( α ) cos ⁡ ( ε ) + sin ⁡ ( δ ) sin ⁡ ( ε ) ; cos ⁡ ( β ) cos ⁡ ( λ ) = cos ⁡ ( δ ) cos ⁡ ( α ) . sin ⁡ ( β ) = sin ⁡ ( δ ) cos ⁡ ( ε ) − cos ⁡ ( δ ) sin ⁡ ( ε ) sin ⁡ ( α ) [ cos ⁡ ( β ) cos ⁡ ( λ ) cos ⁡ ( β ) sin ⁡ ( λ ) sin ⁡ ( β ) ] = [ 1 0 0 0 cos ⁡ ( ε ) sin ⁡ ( ε ) 0 − sin ⁡ ( ε ) cos ⁡ ( ε ) ] [ cos ⁡ ( δ ) cos ⁡ ( α ) cos ⁡ ( δ ) sin ⁡ ( α ) sin ⁡ ( δ ) ] tan ⁡ ( α ) = sin ⁡ ( λ ) cos ⁡ ( ε ) − tan ⁡ ( β ) sin ⁡ ( ε ) cos ⁡ ( λ ) ; { cos ⁡ ( δ ) sin ⁡ ( α ) = cos ⁡ ( β ) sin ⁡ ( λ ) cos ⁡ ( ε ) − sin ⁡ ( β ) sin ⁡ ( ε ) ; cos ⁡ ( δ ) cos ⁡ ( α ) = cos ⁡ ( β ) cos ⁡ ( λ ) . sin ⁡ ( δ ) = sin ⁡ ( β ) cos ⁡ ( ε ) + cos ⁡ ( β ) sin ⁡ ( ε ) sin ⁡ ( λ ) . [ cos ⁡ ( δ ) cos ⁡ ( α ) cos ⁡ ( δ ) sin ⁡ ( α ) sin ⁡ ( δ ) ] = [ 1 0 0 0 cos ⁡ ( ε ) − sin ⁡ ( ε ) 0 sin ⁡ ( ε ) cos ⁡ ( ε ) ] [ cos ⁡ ( β ) cos ⁡ ( λ ) cos ⁡ ( β ) sin ⁡ ( λ ) sin ⁡ ( β ) ] . {displaystyle {begin{aligned}tan left(lambda right)&={sin left(alpha right)cos left(varepsilon right)+tan left(delta right)sin left(varepsilon right) over cos left(alpha right)};qquad {begin{cases}cos left(beta right)sin left(lambda right)=cos left(delta right)sin left(alpha right)cos left(varepsilon right)+sin left(delta right)sin left(varepsilon right);cos left(beta right)cos left(lambda right)=cos left(delta right)cos left(alpha right).end{cases}}sin left(beta right)&=sin left(delta right)cos left(varepsilon right)-cos left(delta right)sin left(varepsilon right)sin left(alpha right)[3pt]{begin{bmatrix}cos left(beta right)cos left(lambda right)cos left(beta right)sin left(lambda right)sin left(beta right)end{bmatrix}}&={begin{bmatrix}1&0&0&cos left(varepsilon right)&sin left(varepsilon right)&-sin left(varepsilon right)&cos left(varepsilon right)end{bmatrix}}{begin{bmatrix}cos left(delta right)cos left(alpha right)cos left(delta right)sin left(alpha right)sin left(delta right)end{bmatrix}}[6pt]tan left(alpha right)&={sin left(lambda right)cos left(varepsilon right)-tan left(beta right)sin left(varepsilon right) over cos left(lambda right)};qquad {begin{cases}cos left(delta right)sin left(alpha right)=cos left(beta right)sin left(lambda right)cos left(varepsilon right)-sin left(beta right)sin left(varepsilon right);cos left(delta right)cos left(alpha right)=cos left(beta right)cos left(lambda right).end{cases}}[3pt]sin left(delta right)&=sin left(beta right)cos left(varepsilon right)+cos left(beta right)sin left(varepsilon right)sin left(lambda right).[6pt]{begin{bmatrix}cos left(delta right)cos left(alpha right)cos left(delta right)sin left(alpha right)sin left(delta right)end{bmatrix}}&={begin{bmatrix}1&0&0&cos left(varepsilon right)&-sin left(varepsilon right)&sin left(varepsilon right)&cos left(varepsilon right)end{bmatrix}}{begin{bmatrix}cos left(beta right)cos left(lambda right)cos left(beta right)sin left(lambda right)sin left(beta right)end{bmatrix}}.end{aligned}}}

Lưu ý rằng góc phương vị (A) được đo từ điểm hướng nam, chiều dương hướng theo phía tây.[5] Góc thiên đỉnh, tức là khoảng cách góc dọc theo đường tròn lớn từ thiên đỉnh tới vị trí thiên thể, đơn giản là góc phụ với góc cao: 90° − a.[6]

tan ⁡ ( A ) = sin ⁡ ( h ) cos ⁡ ( h ) sin ⁡ ( ϕ o ) − tan ⁡ ( δ ) cos ⁡ ( ϕ o ) ; { cos ⁡ ( a ) sin ⁡ ( A ) = cos ⁡ ( δ ) sin ⁡ ( h ) ; cos ⁡ ( a ) cos ⁡ ( A ) = cos ⁡ ( δ ) cos ⁡ ( h ) sin ⁡ ( ϕ o ) − sin ⁡ ( δ ) cos ⁡ ( ϕ o ) sin ⁡ ( a ) = sin ⁡ ( ϕ o ) sin ⁡ ( δ ) + cos ⁡ ( ϕ o ) cos ⁡ ( δ ) cos ⁡ ( h ) ; {displaystyle {begin{aligned}tan left(Aright)&={sin left(hright) over cos left(hright)sin left(phi _{text{o}}right)-tan left(delta right)cos left(phi _{text{o}}right)};qquad {begin{cases}cos left(aright)sin left(Aright)=cos left(delta right)sin left(hright);cos left(aright)cos left(Aright)=cos left(delta right)cos left(hright)sin left(phi _{text{o}}right)-sin left(delta right)cos left(phi _{text{o}}right)end{cases}}[3pt]sin left(aright)&=sin left(phi _{text{o}}right)sin left(delta right)+cos left(phi _{text{o}}right)cos left(delta right)cos left(hright);end{aligned}}}

Khi giải phương trình tan(A) để tìm phương vị A, nên sử dụng hàm arctan hai đối số, ký hiệu là arctan(x,y) để tránh nhầm lẫn về giá trị góc. Hàm arctan hai đối số tính toán arctan của y/x, với giá trị được xác định tùy theo góc phần tư chứa cặp (x,y). Do đó, giá trị phương vị là phù hợp với quy ước góc phương vị được đo từ phía nam và chiều dương tới phía tây,

A = − arctan ⁡ ( x , y ) {displaystyle A=-arctan(x,y)} ,

trong đó

x = − sin ⁡ ( ϕ o ) cos ⁡ ( δ ) cos ⁡ ( h ) + cos ⁡ ( ϕ o ) sin ⁡ ( δ ) y = cos ⁡ ( δ ) sin ⁡ ( h ) {displaystyle {begin{aligned}x&=-sin left(phi _{text{o}}right)cos left(delta right)cos left(hright)+cos left(phi _{text{o}}right)sin left(delta right)y&=cos left(delta right)sin left(hright)end{aligned}}} .

Nếu công thức trên cho một giá trị A âm, nó có thể được đổi thành dương bằng cách chỉ cần cộng thêm 360°.

[ cos ⁡ ( a ) cos ⁡ ( A ) cos ⁡ ( a ) sin ⁡ ( A ) sin ⁡ ( a ) ] = [ sin ⁡ ( ϕ o ) 0 − cos ⁡ ( ϕ o ) 0 1 0 cos ⁡ ( ϕ o ) 0 sin ⁡ ( ϕ o ) ] [ cos ⁡ ( δ ) cos ⁡ ( h ) cos ⁡ ( δ ) sin ⁡ ( h ) sin ⁡ ( δ ) ] = [ sin ⁡ ( ϕ o ) 0 − cos ⁡ ( ϕ o ) 0 1 0 cos ⁡ ( ϕ o ) 0 sin ⁡ ( ϕ o ) ] [ cos ⁡ ( θ L ) sin ⁡ ( θ L ) 0 sin ⁡ ( θ L ) − cos ⁡ ( θ L ) 0 0 0 1 ] [ cos ⁡ ( δ ) cos ⁡ ( α ) cos ⁡ ( δ ) sin ⁡ ( α ) sin ⁡ ( δ ) ] ; tan ⁡ ( h ) = sin ⁡ ( A ) cos ⁡ ( A ) sin ⁡ ( ϕ o ) + tan ⁡ ( a ) cos ⁡ ( ϕ o ) ; { cos ⁡ ( δ ) sin ⁡ ( h ) = cos ⁡ ( a ) sin ⁡ ( A ) ; cos ⁡ ( δ ) cos ⁡ ( h ) = sin ⁡ ( a ) cos ⁡ ( ϕ o ) + cos ⁡ ( a ) cos ⁡ ( A ) sin ⁡ ( ϕ o ) sin ⁡ ( δ ) = sin ⁡ ( ϕ o ) sin ⁡ ( a ) − cos ⁡ ( ϕ o ) cos ⁡ ( a ) cos ⁡ ( A ) ; {displaystyle {begin{aligned}{begin{bmatrix}cos left(aright)cos left(Aright)cos left(aright)sin left(Aright)sin left(aright)end{bmatrix}}&={begin{bmatrix}sin left(phi _{text{o}}right)&0&-cos left(phi _{text{o}}right)&1&0cos left(phi _{text{o}}right)&0&sin left(phi _{text{o}}right)end{bmatrix}}{begin{bmatrix}cos left(delta right)cos left(hright)cos left(delta right)sin left(hright)sin left(delta right)end{bmatrix}}&={begin{bmatrix}sin left(phi _{text{o}}right)&0&-cos left(phi _{text{o}}right)&1&0cos left(phi _{text{o}}right)&0&sin left(phi _{text{o}}right)end{bmatrix}}{begin{bmatrix}cos left(theta _{L}right)&sin left(theta _{L}right)&0sin left(theta _{L}right)&-cos left(theta _{L}right)&0&0&1end{bmatrix}}{begin{bmatrix}cos left(delta right)cos left(alpha right)cos left(delta right)sin left(alpha right)sin left(delta right)end{bmatrix}};[6pt]tan left(hright)&={sin left(Aright) over cos left(Aright)sin left(phi _{text{o}}right)+tan left(aright)cos left(phi _{text{o}}right)};qquad {begin{cases}cos left(delta right)sin left(hright)=cos left(aright)sin left(Aright);cos left(delta right)cos left(hright)=sin left(aright)cos left(phi _{text{o}}right)+cos left(aright)cos left(Aright)sin left(phi _{text{o}}right)end{cases}}[3pt]sin left(delta right)&=sin left(phi _{text{o}}right)sin left(aright)-cos left(phi _{text{o}}right)cos left(aright)cos left(Aright);end{aligned}}} [a]

Một lần nữa, khi giải phương trình tan(h) để tìm h, nên sử dụng hàm arctan hai đối số để phù hợp với quy ước phương vị được tính từ phía nam và chiều dương tới phía tây,

h = arctan ⁡ ( x , y ) {displaystyle h=arctan(x,y)} ,

trong đó

x = sin ⁡ ( ϕ o ) cos ⁡ ( a ) cos ⁡ ( A ) + cos ⁡ ( ϕ o ) sin ⁡ ( a ) y = cos ⁡ ( a ) sin ⁡ ( A ) [ cos ⁡ ( δ ) cos ⁡ ( h ) cos ⁡ ( δ ) sin ⁡ ( h ) sin ⁡ ( δ ) ] = [ sin ⁡ ( ϕ o ) 0 cos ⁡ ( ϕ o ) 0 1 0 − cos ⁡ ( ϕ o ) 0 sin ⁡ ( ϕ o ) ] [ cos ⁡ ( a ) cos ⁡ ( A ) cos ⁡ ( a ) sin ⁡ ( A ) sin ⁡ ( a ) ] [ cos ⁡ ( δ ) cos ⁡ ( α ) cos ⁡ ( δ ) sin ⁡ ( α ) sin ⁡ ( δ ) ] = [ cos ⁡ ( θ L ) sin ⁡ ( θ L ) 0 sin ⁡ ( θ L ) − cos ⁡ ( θ L ) 0 0 0 1 ] [ sin ⁡ ( ϕ o ) 0 cos ⁡ ( ϕ o ) 0 1 0 − cos ⁡ ( ϕ o ) 0 sin ⁡ ( ϕ o ) ] [ cos ⁡ ( a ) cos ⁡ ( A ) cos ⁡ ( a ) sin ⁡ ( A ) sin ⁡ ( a ) ] . {displaystyle {begin{aligned}x&=sin left(phi _{text{o}}right)cos left(aright)cos left(Aright)+cos left(phi _{text{o}}right)sin left(aright)y&=cos left(aright)sin left(Aright)[3pt]{begin{bmatrix}cos left(delta right)cos left(hright)cos left(delta right)sin left(hright)sin left(delta right)end{bmatrix}}&={begin{bmatrix}sin left(phi _{text{o}}right)&0&cos left(phi _{text{o}}right)&1&0-cos left(phi _{text{o}}right)&0&sin left(phi _{text{o}}right)end{bmatrix}}{begin{bmatrix}cos left(aright)cos left(Aright)cos left(aright)sin left(Aright)sin left(aright)end{bmatrix}}{begin{bmatrix}cos left(delta right)cos left(alpha right)cos left(delta right)sin left(alpha right)sin left(delta right)end{bmatrix}}&={begin{bmatrix}cos left(theta _{L}right)&sin left(theta _{L}right)&0sin left(theta _{L}right)&-cos left(theta _{L}right)&0&0&1end{bmatrix}}{begin{bmatrix}sin left(phi _{text{o}}right)&0&cos left(phi _{text{o}}right)&1&0-cos left(phi _{text{o}}right)&0&sin left(phi _{text{o}}right)end{bmatrix}}{begin{bmatrix}cos left(aright)cos left(Aright)cos left(aright)sin left(Aright)sin left(aright)end{bmatrix}}.end{aligned}}}

Các phương trình bên dưới[12] được dùng để chuyển đổi tọa độ xích đạo sang tọa độ thiên hà.

cos ⁡ ( l NCP − l ) cos ⁡ ( b ) = sin ⁡ ( δ ) cos ⁡ ( δ G ) − cos ⁡ ( δ ) sin ⁡ ( δ G ) cos ⁡ ( α − α G ) sin ⁡ ( l NCP − l ) cos ⁡ ( b ) = cos ⁡ ( δ ) sin ⁡ ( α − α G ) sin ⁡ ( b ) = sin ⁡ ( δ ) sin ⁡ ( δ G ) + cos ⁡ ( δ ) cos ⁡ ( δ G ) cos ⁡ ( α − α G ) {displaystyle {begin{aligned}cos left(l_{text{NCP}}-lright)cos(b)&=sin left(delta right)cos left(delta _{text{G}}right)-cos left(delta right)sin left(delta _{text{G}}right)cos left(alpha -alpha _{text{G}}right)sin left(l_{text{NCP}}-lright)cos(b)&=cos(delta )sin left(alpha -alpha _{text{G}}right)sin left(bright)&=sin left(delta right)sin left(delta _{text{G}}right)+cos left(delta right)cos left(delta _{text{G}}right)cos left(alpha -alpha _{text{G}}right)end{aligned}}}

α G , δ G {displaystyle alpha _{text{G}},delta _{text{G}}} là tọa độ xích đạo của Thiên cực Bắc và l NCP {displaystyle l_{text{NCP}}} là kinh độ thiên hà của Thiên cực Bắc. Các giá trị này tham chiếu theo J2000.0 là:

α G = 192.85948 ∘ δ G = 27.12825 ∘ l NCP = 122.93192 ∘ {displaystyle alpha _{G}=192.85948^{circ }qquad delta _{G}=27.12825^{circ }qquad l_{text{NCP}}=122.93192^{circ }}

Nếu các tọa độ xích đạo được tham chiếu tới điểm phân mốc khác thì chúng phải được chỉnh tuế sai tới vị trí của chúng tại kỷ nguyên J2000.0 trước khi áp dụng các công thức trên.

Các phương trình sau chuyển đổi sang tọa độ xích đạo được tham chiếu theo B2000.0.

sin ⁡ ( α − α G ) cos ⁡ ( δ ) = cos ⁡ ( b ) sin ⁡ ( l NCP − l ) cos ⁡ ( α − α G ) cos ⁡ ( δ ) = sin ⁡ ( b ) cos ⁡ ( δ G ) − cos ⁡ ( b ) sin ⁡ ( δ G ) cos ⁡ ( l NCP − l ) sin ⁡ ( δ ) = sin ⁡ ( b ) sin ⁡ ( δ G ) + cos ⁡ ( b ) cos ⁡ ( δ G ) cos ⁡ ( l NCP − l ) {displaystyle {begin{aligned}sin left(alpha -alpha _{text{G}}right)cos left(delta right)&=cos left(bright)sin left(l_{text{NCP}}-lright)cos left(alpha -alpha _{text{G}}right)cos left(delta right)&=sin left(bright)cos left(delta _{text{G}}right)-cos left(bright)sin left(delta _{text{G}}right)cos left(l_{text{NCP}}-lright)sin left(delta right)&=sin left(bright)sin left(delta _{text{G}}right)+cos left(bright)cos left(delta _{text{G}}right)cos left(l_{text{NCP}}-lright)end{aligned}}}
  1. ^ Depending on the azimuth convention in use, the signs of cos A and sin A appear in all four different combinations. Karttunen et al.,[7] Taff,[8] and Roth[9] define A clockwise from the south. Lang[10] defines it north through east, Smart[11] north through west. Meeus (1991),[2] p. 89: sin δ = sin φ sin a − cos φ cos a cos A; Explanatory Supplement (1961),[3] p. 26: sin δ = sin a sin φ + cos a cos A cos φ.

(bằng tiếng Anh)

Link nội dung: https://superkids.edu.vn/he-toa-do-trong-khong-gian-a36916.html