Khái niệm, quy ước các chuyển động thiên cầu

Dưới đây là một số khái niệm để tham khảo và tra cứu về các quy ước trong thiên văn học cơ bản liên quan đến chuyển động của thiên cầu.

Các khái niệm thời gian

• Ngày: Là khoảng thời gian để Trái đất hoàn thành một chu kỳ tự quay quanh trục của mình. Trong thiên văn học, ngày được định nghĩa là một đơn vị thời gian có độ dài 86.400 giây. Trên thực tế, sự tự quay của Trái đất là không hoàn toàn đều, do đó thiên văn có hai cách tính ngày dựa trên hai cơ sở khác nhau gọi là ngày Mặt trời và ngày sao.
• Ngày Mặt trời: Thời gian giữa hai lần giữa trưa liên tiếp, có độ dài 24 giờ hay 86.400 giây. Ngày Mặt trời được sử dụng trong thiên văn học hiện đại để làm cơ sở tính cho dương lịch.
• Ngày sao: Thời gian để một ngôi sao tại thiên đỉnh của người quan sát vào thời điểm bất kỳ trở về đúng thiên đỉnh, tức là thời gian để Trái đất tự quay quanh trục đúng một vòng so với nền bầu trời sao. Do Trái đất còn chuyển động trên quỹ đạo quanh Mặt trời nên ngày sao có giá trị nhỏ hơn 24 giờ. Độ dài của nó là 23 giờ 56 phút 4 giây, hay 86.164 giây.
• Năm: Khoảng thời gian tương đương với một chu kỳ chuyển động của Trái đất quanh Mặt trời. Trong đời sống, năm được quy ước có độ dài là 365 ngày, năm nhuận là 366 ngày. Trong thiên văn học, độ dài chính xác của một năm phụ thuộc vào các cách tính dựa trên các mốc khác nhau, do đó năm trong thiên văn được chia thành các loại cơ bản là năm cận nhật, năm nhiệt đới và năm thiên thực.
• Năm cận nhật: Thời gian giữa hai lần liên tiếp Trái đất đi qua điểm cận nhật (điểm gần Mặt trời nhất trên quỹ đạo chuyển động của Trái đất). Năm cận nhật có độ dài 365,259 ngày.
• Năm nhiệt đới: Thời gian giữa hai lần liên tiếp Mặt trời đi qua điểm xuân phân (hoặc thu phân), do đó còn được gọi là năm (xuân/thu) phân. Năm này có độ dài 365,242 ngày. Dương lịch hiện nay sử dụng độ dài này làm chuẩn để quy ước cách tính lịch hiện đại.
• Năm sao: Thời gian giữa hai lần liên tiếp Mặt trời nằm tại cùng một vị trí so với các sao trên thiên cầu. Độ dài của năm sao là 365,256 ngày.
• Năm thiên thực: Thời gian giữa hai lần liên tiếp Mặt trời nằm trên giao tuyến của mặt phẳng quỹ đạo Trái đất và mặt phẳng quỹ đạo Mặt trăng. Năm thiên thực có độ dài 36,620 ngày, thường được dùng để tính chu kỳ của nhật thực và nguyệt thực.
• Xuân phân: Ngày giữa mùa xuân, tùy từng năm là ngày 20 hoặc 21 tháng 3 dương lịch, là ngày Mặt trời đi qua xích đạo trời do đó có ngày và đêm dài tương đương nhau. Một trong hai điểm giao nhau của xích đạo trời với hoàng đạo trên thiên cầu.

Điểm xuân phân được sử dụng phổ biến trong thiên văn học, thời điểm Mặt trời đi qua điểm xuân phân, ánh sáng của nó vuông góc với xích đạo Trái đất. Điểm xuân phân được chọn làm mốc tính tọa độ trong hệ tọa độ hoàng đạo và hệ tọa độ xích đạo.

• Hạ chí: Ngày giữa mùa hè, có ngày dài nhất và đêm ngắn nhất trong năm, tùy từng năm rơi vào 20 hoặc 21 tháng 6 (đối với Bắc bán cầu, đối với Nam bán cầu 20 hoặc 21 tháng 6 là ngày đông chí). Điểm cao nhất của đường đi của Mặt trời trên hoàng đạo về phía Bắc. Khi Mặt trời đi qua điểm này, ánh sáng từ nó vuông góc với đường chí tuyến Bắc của Trái đất.
• Thu phân: Ngày giữa mùa thu, tùy từng năm rơi vào 22 hoặc 23 tháng 9, là ngày có ngày và đêm dài tương đương nhau do Mặt trời đi qua xích đạo trời. Một trong hai điểm giao của xích đạo trời với hoàng đạo, ngày thu phân là ngày Mặt trời đi qua điểm này. Trong thiên văn học, điểm giao thứ hai là điểm xuân phân thường được sử dụng nhiều hơn trong các hệ tọa độ thiên cầu.
• Đông chí: Ngày giữa mùa đông, có ngày ngắn nhất và đêm dài nhất trong năm. Tùy từng năm ngày này rơi vào 21 hoặc 22 tháng 12 (đối với Bắc bán cầu, đối với Nam bán cầu thì 21 hoặc 22 tháng 12 là ngày hạ chí). Điểm thấp nhất trên hoàng đạo - đường đi của Mặt trời về phía Nam. Khi Mặt trời đi qua điểm này, ánh sáng từ nó vuông góc với đường chí tuyến Nam của Trái đất.

Khái niệm về chuyển động của các thiên thể trên thiên cầu

Mô phỏng hoạt động của Mặt trăng và Mặt trời lên vỏ Trái đất.

• Chân trời: Đường giới hạn của tầm nhìn người quan sát. Một cách chính xác, chân trời là bề mặt cong của Trái đất, tạo thành một đường bao không cho phép người quan sát nhìn phần bầu trời thấp hơn đường bao đó. Chân trời thường được nhìn thấy rõ khi quan sát tại biển hoặc thảo nguyên, đồng cỏ trải rộng.
• Xích đạo trời: Đường giao của thiên cầu với mặt phẳng kéo dài của xích đạo Trái đất. Trong thiên văn học, xích đạo trời được sử dụng trong các hệ tọa độ thiên cầu, là đường phân cách hai nửa thiên cầu thành bán thiên cầu Bắc và bán thiên cầu Nam.
• Hoàng đạo: Đường biểu kiến của Mặt trời trên thiên cầu. Theo cách quan sát biểu kiến, mỗi năm Mặt trời lần lượt lướt qua vị trí của 13 chòm sao (theo thiên văn học cổ chỉ có 12 chòm sao vì chưa tính chòm sao Ophiuchus) gọi là 13 chòm sao Hoàng đạo.

Trong thuật ngữ thiên văn học hiện đại, Hoàng đạo (viết hoa chữ cái đầu và được dịch là Zodiac) khác với hoàng đạo (ecliptic) chỉ giao tuyến của mặt phẳng quỹ đạo của Trái đất với thiên cầu.

Hoàng đạo (ecliptic) là đường tròn giao giữa mặt phẳng quỹ đạo của Trái đất với thiên cầu. Với các quan sát biểu kiến, hoàng đạo được coi là đường chuyển động của Mặt trời trong một năm. Đường đi của Mặt trời trên giao tuyến này được gọi là Hoàng đạo (Zodiac).

• Nhật động: Chuyển động biểu kiến hàng ngày của thiên cầu quanh trục Bắc - Nam của Trái đất do chuyển động tự quay của Trái đất gây ra. Chiều của nhật động là chiều Đông - Tây (chiều mọc/lặn của Mặt trời).
• Tuế sai: Chuyển động chậm theo hình nón của trục quay thiên thể, thường được hiểu là của Trái đất. Tuế sai thường được gọi là tiến động, được gây ra bởi tương tác giữa các thiên thể gần nhau. Trong trường hợp của Trái đất, trục quay lệch so với trục vuông góc với mặt phẳng hoàng đạo một góc 23,5 độ, tuế sai của Trái đất và dao động của trục quay theo biên độ này. Chu kỳ tuế sai của Trái đất là 25.730 năm.

Vì hiện tượng tuế sai này, hướng của trục Trái đất không phải cố định. Hiện nay, trục Trái đất đang hướng về sao Alpha Ursa Minoris (sao Pollaris) theo hướng Bắc, do đó ngôi sao này được gọi là sao Bắc Cực, nhưng vào năm 2000 trước Công nguyên, ngôi sao được coi là sao Bắc Cực là sao Thuban (sao Alpha Draconis - sao sáng nhất của chòm sao Draco).

• Chương động: Dao động nhỏ và không đều trong tuế sai của trục quay Trái đất. Hiện tượng này được phát triển bởi nhà thiên văn James Bradly vào năm 1748 sau 19 năm quan sát tỉ mỉ vị trí chính xác các sao trên thiên hà và các thay đổi của chúng.

Chương động là dao động rất nhỏ con người không thể nhận thấy trực tiếp, gây ra bởi nguyên nhân chính là tương tác hấp dẫn giữa Trái đất và Mặt trăng khi Mặt trăng chuyển động trên quỹ đẹp elip quanh Trái đất.

• Thị sai: Sự thay đổi vị trí biểu kiến của các thiên thể (sao, hành tinh) ở gần so với nền của các sao xa hơn do chuyển động tự quay của Trái đất trên quỹ đạo quanh Mặt trời và chuyển động của Hệ Mặt trời quanh tâm Ngân hà.

Thị sai cho biết sự khác biệt do sự thay đổi vị trí của người quan sát, sự thay đổi vị trí này làm hình chiếu tạo bởi tia nhìn từ người quan sát đến thiên thể đến nền các sao ở xa thay đổi, thị sai là giá trị của góc thay đổi đó.

Trong thiên văn học, thị sai được sử dụng để tính khoảng cách đến các thiên thể (sao, hành tinh) gần, không áp dụng được với các sao hay thiên hà ở xa do sự thay đổi góc nhìn trong năm với các thiên thể ở xa là nhỏ, do đó thị sai rất nhỏ và khó xác định.

• Thị sai ngày: Thị sai chỉ sự thay đổi vị trí của các thiên thể gần khi quan sát trên một vị trí nào đó trên mặt Trái đất so với hướng quan sát từ tâm Trái đất, còn gọi là thị sai địa tâm. Góc thay đổi này gây ra do sự tự quay của Trái đất quanh trục. Thị sai ngày được áp dụng đối với các thiên thể gần như các thiên thể trong Hệ Mặt trời.
• Thị sai năm: Thì sai chỉ sự thay đổi vị trí của thiên thể trên nền các sao ở xa đo bằng góc tạo bởi tia nhìn từ thiên thể đến Trái đất và Mặt trời.

Thị sai này gây ra bởi chuyển động của Trái đất trên quỹ đạo quanh Mặt trời hàng năm, thường được đo bằng cách xác định sự thay đổi vị trí của thiên thể trên nền các sao ở xa vào các thời điểm khác nhau trong năm (tương ứng với vị trí khác nhau của Trái đất trên quỹ đạo).

• Thị sao chân trời: Thị sai ngày lớn nhất có thể được quan sát, tương ứng với khi thiên thể nằm ở vị trí ngang với đường chân trời của người quan sát.

Một số đơn vị hay gặp

Các hiện tượng thiên văn được phát hiện và chứng minh qua kính viễn vọng.

• Đơn vị thiên văn (AU): Đơn vị đo khoảng cách trong thiên văn học, áp dụng cho việc đo khoảng cách giữa các thiên thể trong Hệ Mặt trời. Một đơn vị thiên văn được lấy là khoảng cách trung bình giữa Trái đất và Mặt trời là 149,6 triệu km.
• Năm ánh sáng: Đơn vị đo khoảng cách trong thiên văn học, sử dụng rộng rãi trong việc đo các khoảng cách lớn. Một năm ánh sáng là quãng đường ánh sáng đi được trong một năm. Một năm ánh sáng có giá trị là 9.4605284 x 10 mũ 15 mét.
• Parsec: Khoảng cách tương ứng với thị sai một giây. Đơn vị dùng trong thiên văn có độ dài là khoảng cách giữa hai điểm cách nhau một khoảng cách tương ứng với thị sai năm là 1 giây, tương đương 3,26 năm ánh sáng. Parsec viết tắc là  PC, là đơn vị dùng phổ biến trong thiên văn vật lý.

Những điều thú vị về Hệ Mặt trời

Choáng với kích thước lỗ thủng tầng ozone ở Nam Cực

Bên trong khách sạn băng vĩnh cửu ở Thụy Điển