Khi đứng trên Trái đất nhìn lên bầu trời ta thấy bầu trời như một mặt cầu lớn có gắn các thiên thể. Vì vậy để xác định vị trí các thiên thể trên bầu trời ta có thể lợi dụng mặt cầu đó và gọi là thiên cầu.
Thiên cầu là gì?
Thiên cầu là một mặt cầu tưởng tượng có tâm là nơi ta quan sát, có bán kính vô cùng lớn và các thiên thể phân bố ở mặt trong quả cầu đó.
Đặc điểm của thiên cầu
Vì có thể lấy bán kính thiên cầu vô cùng lớn nên bán kính Trái đất là rất nhỏ so với bán kính thiên cầu. Vậy nên ta có thể coi bất kỳ điểm nào trên Trái đất cũng là tâm thiên cầu. Và một điểm bất kỳ nào trên thiên cầu cũng có thể nhìn thấy từ những điểm khác nhau trên Trái đất theo những đường song song.
Tính chất của thiên cầu
– Mặt phẳng chứa tâm thiên cầu cắt thiên cầu theo một vòng tròn lớn (vòng qua F, G).
– Qua 2 điểm không đối tâm trên thiên cầu chỉ có thể vẽ một vòng tròn lớn (vòng qua A, B).
– Qua 2 điểm đối tâm có thể vẽ vô số vòng tròn lớn (qua C, D).
– Những mặt phẳng không qua tâm cắt mặt thiên cầu thành những vòng tròn nhỏ (r<R) (vòng qua KL).
Hình vẽ biểu diễn Thiên cầu
– Khoảng cách giữa hai điểm A, B trên thiên cầu được thể hiện bằng cung AB, đo bằng góc ở tâm cung AOB.
– Những cung của vòng tròn lớn là khoảng cách ngắn nhất giữa các điểm trên thiên cầu. Ta có thể nói: Đường thẳng trên thiên cầu là vòng tròn lớn và trên thiên cầu không thể vẽ được những đường thẳng song song.
Những đường điểm cơ bản trên thiên cầu
Giả sử người quan sát đứng tại tâm 0 trên Trái đất, qua đó ta vẽ thiên cầu là một mặt cầu bán kính R.
* Thiên đỉnh – Thiên để: Đường thẳng đứng đi qua đỉnh đầu người quan sát, cắt thiên cầu tại điểm Z trên đỉnh đầu gọi là thiên đỉnh, điểm Z’ dưới chân là thiên để.
* Đường chân trời: Mặt phẳng vuông góc với OZ (Tiếp tuyến với mặt đất) gọi là Mặt phẳng chân trời. Nó cắt thiên cầu theo một vòng tròn lớn gọi là đường chân trời (vòng BĐNT). Chú ý: Đường chân trời này khác với đường chân trời mà ta nhìn thấy trong thực tế. Vì trong thực tế đường chân trời còn bị các vật trên mặt đất (nhà cửa, núi non) làm biến dạng.
Người quan sát đứng trên bề mặt Trái đất chỉ quan sát được phần trên của thiên cầu có chứa thiên đỉnh Z, phần dưới bị mặt đất che khuất. Tại thời điểm lặn mọc thiên thể được coi là đang ở trên đường chân trời.
* Thiên cực: Do Trái đất quay nên ta sẽ cảm thấy thiên cầu quay. Trục quay của thiên cầu song song với trục quay của Trái đất và gọi là thiên cực PP’. Thiên cực cắt thiên cầu tại 2 điểm: P là thiên cực bắc, nếu ta hướng đến nó từ trong thiên cầu sẽ thấy thiên cầu quay ngược chiều kim đồng hồ và P’ là thiên cực nam.
* Xích đạo trời: Mặt phẳng qua tâm 0 vuông góc với thiên cực PP’ gọi là xích đạo trời (QQ’). Xích đạo trời chia thiên cầu thành nửa thiên cầu Bắc (chứa P) và nửa thiên cầu Nam (chứa P’). Xích đạo trời cắt đường chân trời tại 2 điểm: Đông (Đ) và Tây (T).
* Kinh tuyến trời: Là vòng tròn lớn đi qua thiên đỉnh Z và thiên cực P (vòng tròn nằm trên mặt giấy). Kinh tuyến trời cắt đường chân trời tại 2 điểm Bắc (B) và Nam (N). Phần kinh tuyến có chứa thiên đỉnh (BZN) gọi là kinh tuyến trên, phần chứa thiên để (BZ’N) gọi là kinh tuyến dưới.
– 4 điểm Đông (Đ), Bắc (B), Tây (T), Nam (N) cách đều nhau 90o) (sinh viên tự chứng minh), và theo thứ tự sau : Nếu ta (người quan sát) đứng tại tâm 0, nhìn về hướng Bắc thì tay phải là Đông (Đ), tay trái là Tây (T) sau lưng là Nam (N).
* Đường nửa ngày (Đường bắc nam BN) : Là hình chiếu của kinh tuyến trời lên mặt phẳng chân trời.
* Vòng thẳng đứng: Là các vòng tròn lớn đi qua thiên đỉnh (Z), thiên để (Z’) và vuông góc với đường chân trời.
* Vòng giờ : Là các vòng tròn đi qua 2 thiên cực PP’ và vuông góc với xích đạo trời.
+ Như vậy kinh tuyến trời vừa là vòng thẳng đứng, vừa là vòng giờ.
* Vòng nhật động: Do Trái đất quay nhưng ta tưởng đứng yên nên sẽ thấy thiên cầu quay trong một ngày đêm, hay thấy các thiên thể Nhật động. Khi nhật động các thiên thể sẽ vẽ nên những vòng tròn nhỏ (hay đường nhật động của các thiên thể là những vòng tròn nhỏ) song song với xích đạo trời. Hướng nhật động sẽ ngược với chiều quay của Trái đất. Tức là nếu ta đứng tại tâm 0 (trong thiên cầu) nhìn về thiên cực bắc sẽ thấy thiên thể nhật động từ phải qua trái hay từ đông sang tây. Trong một ngày đêm thiên thể sẽ mọc ở chân trời đông, qua kinh tuyến trên và lặn xuống chân trời tây, và ta không quan sát được nó qua kinh tuyến dưới cho đến sự mọc tiếp vào ngày hôm sau. Ta phải chú ý hướng nhật động vì khi vẽ trên giấy ta nhìn từ ngoài thiên cầu nên hướng sẽ ngược lại.
Các vòng Nhật động 1 và 2, 3, 4
(Các điểm Z, Z’, P, P’ và các điểm của đường chân trời bất động đối với người quan sát, không quay cùng thiên cầu.)
