Trong bộ môn hình học không gian, chúng ta dùng hệ tọa độ Descartes để xác định vị trí của điểm, vectơ, hình... trong không gian. Ở quy mô Trái Đất thì chúng ta sử dụng hệ tọa độ địa lý gồm kinh độ, vĩ độ và cao độ để xác định vị trí. Trong ngành thiên văn học, con người cũng đã tạo lập một hệ để xác định vị trí của các ngôi sao, thiên thể trên bầu trời, tiện lợi cho việc quan sát, nghiên cứu. Ở bài này thì chúng mình sẽ giới thiệu cho mọi người về hệ tọa độ chân trời,1 trong 5 hệ tọa độ vũ trụ được xây dựng.
Đầu tiên phải nói đến là Thiên cầu (Celestial sphere), là một mặt cầu tưởng tượng bao quanh Trái Đất, với Trái Đất là trung tâm, và bán kính không được xác định (thường mặc định là vô hạn). Trên mặt cầu giả định này là hình chiếu của các thiên thể trên bầu trời theo phương từ tâm thiên thể đến Trái Đất, vì thế người ta phân chia thiên cầu làm 2 phần: thiên cầu Bắc ứng với phần bầu trời trên bán cầu Bắc của Trái Đất, thiên cầu Nam ứng với phần bầu trời phía trên bán cầu Nam. Thiên văn hiện đại sử dụng thiên cầu để chỉ vùng trời biểu kiến dược quan sát từ một nơi bất kỳ trên Trái Đất. Như vậy, thiên cầu không phải là một vật thể, mà là toàn bộ phần bầu trời phía trên đầu chứa mọi thứ mà con người quan sát được. Con người thì rất nhỏ bé so với kích thước Trái Đất nên ta chỉ có thể thấy phân nửa của thiên cầu này trên đầu. Có lẽ vì chỉ thấy phân nửa nên nhiều nền văn hóa gọi phần nửa này là “bowl of night”. Cần phải xác định rằng thiên cầu chỉ ra đời để thuận tiện mô tả vị trí của thiên thể, bởi những thiên thể này cách Trái Đất những khoảng rất khác nhau.
Figure.1: Hình ảnh được gọi là “bowl of night”, trong đó vị trí của một số chòm sao được xác định trên nó
Hệ tọa độ chân trời (Horizon system): Là hệ tọa độ được xây dựng từ mặt đất để xác định mọi thứ trên bầu trời. Hệ tọa độ này cũng chia phần bầu trời thành 2 phần, và sử dụng mặt phẳng chứa đường chân trời làm mặt phẳng tham chiếu. Hệ tọa độ này lấy gốc là người quan sát trên mặt đất, cho nên những người đứng ở các vị trí khác nhau có hệ tọa độ chân trời của riêng mình và khác với những người khác. Những thành phần của hệ tọa độ để xác định vị trí cho các vật thể, bao gồm:
Figure.2: Hình ảnh mô tả thiên cầu
1. Xích đạo trời (Celestial equator): là đường giao của thiên cầu với mặt phẳng xích đạo kéo rộng ra của Trái Đất, hay là hình chiếu của Xích đạo Trái Đất lên thiên cầu. Là đường phân cách thiên cầu thành 2 nửa Bắc và Nam. Xích đạo trời giao với mặt phẳng Hoàng đạo tại 2 điểm, đó là vị trí của Mặt Trời vào ngày xuân phân và thu phân.
2. Thiên đỉnh (Zenith): Là điểm giao của thiên cầu với đường nối từ tâm Trái Đất đến vị trí người quan sát theo hướng kéo dài về phía trên đầu người quan sát. Nói cách dễ hiểu, thiên đỉnh là điểm cao nhất ngay phía trên đầu người quan sát . Do vậy, thiên đỉnh không phải là một điểm cố định mà có thể là bất cứ vị trí nào, tùy vào người quan sát và vị trí của họ.
3. Thiên để (Nadir): Là điểm giao giữa thiên cầu với đường nối từ chân người quan sát đến tâm Trái Đất. Nói cách khác, thiên để là điểm đối xứng thiên đỉnh qua tâm Trái Đất, và cũng như thiên đỉnh, thiên để có vị trí phụ thuộc vào người quan sát. Một người chỉ có thể quan sát thiên đỉnh, không thể quan sát thiên để bởi nó đã bị che lấp bởi bề mặt Trái Đất.
4. Thiên cực (Celestial pole): Là điểm giao của trục Bắc- Nam của Trái Đất với thiên cầu. Kéo dài trục Bắc- Nam của Trái Đất thành 1 đường thẳng tưởng tượng, nó sẽ cắt thiên cầu tại 2 điểm, khi cắt tại thiên cầu Bắc thì được gọi là thiên cực Bắc (North Celestial Pole), khi cắt tại thiên cầu Nam sẽ được gọi là thiên cực Nam (South Celestial Pole).
Vì vị trí đặc biệt, ta có thể xác định vị trí cách tương đối 2 thiên cực Bắc Nam bằng các ngôi sao. Do hiện tượng tuế sai, 2 thiên cực Bắc Nam này sẽ chuyển động theo quỹ đạo 1 hình tròn ngược chiều kim đồng hồ, với bán kính khoảng 23,5 độ . Hiện tại thiên cực Bắc tương đối gần sao Polaris (Alpha Ursae Minoris) và chỉ có thể thấy thiên cực Bắc này khi ở Bắc bán cầu. Tương tự, thiên cực Nam chỉ có thể quan sát tại Nam bán cầu với sao Sigma Octantis.
Figure.3: Vị trí di chuyển của thiên cực Bắc. Đường tròn màu vàng chính là lộ trình của thiên cực Bắc, với các mốc thời gian.
Figure.4: Vị trí di chuyển của thiên cực Nam
5. Độ phương (Azimuth) hay góc phương vị: Là khoảng cách góc tính từ điểm cực Bắc của chân trời đối với người quan sát đến hình chiếu của thiên thể lên đường chân trời theo chiều kim đồng hồ từ trên cao nhìn xuống.
Figure.5: Góc phương vị
Figure.6: Góc phương vị mà người quan sát nhìn thấy
6. Kinh tuyến thiên thể (Celestial Meridian): Là vòng tròn lớn đi qua 2 thiên cực Bắc Nam, đồng thời nó cũng đi qua cả thiên đỉnh, thiên để và các điểm cực Bắc- Nam của đường chân trời, vuông góc với đường xích đạo và đường chân trời. Số lượng kinh tuyến thiên thể là vô hạn và không thể được xác định khi người quan sát đứng trên các cực địa lý của Trái Đất.
7. Độ cao (Altitude): Là góc tạo bởi đường thẳng nối người quan sát tới đường chân trời và đường thẳng nối từ người quan sát đến thiên thể và là đơn vị để xác định độ cao biểu kiến của thiên thể. Theo đó độ cao cực đại của 1 thiên thể là 90 độ khi nó nằm tại thiên đỉnh của người quan sát.
Từ khái niệm về độ cao, ta có thêm thuật ngữ Almucantar chỉ 1 vòng tròn trên mặt cầu của thiên thể. Các ngôi sao cùng nằm trên 1 Almucantar thì sẽ có độ cao giống nhau.
Đây chỉ là những thành phần của hệ tọa độ chân trời, một thành phần trong các Hệ tọa độ thiên văn, ngoài ra còn có các hệ khác với những thành phần và điểm gốc khác nhau.
Trần Hồng Sơn
Nguồn
- John D. Fix (2006),Astronomy: Journey To The Cosmic Frontier 5th Edition, McGraw-Hill Higher Education, New York City, trang 8,9,10.
- Konstantin Bikos, “ Altitude & Azimuth: The Horizontal Coordinate System”. Truy cập từ https://www.timeanddate.com/astronomy/horizontal-coordinate-system.html. (Ngày truy cập 15-08-2021)
- Warren Melvin Young, “ Astronomical map”. Truy cập từ https://www.britannica.com/science/astronomical-map#ref52785. ( Ngày truy cập 15-08-2021).
- RichS(2017), "Nadir" and "zenith" in Alliance-Union universe space navigation”. Truy cập từ https://scifi.stackexchange.com/questions/168797/nadir-and-zenith-in-alliance-union-universe-space-navigation. (Ngày truy cập 15-08-2021).
- Larry McNish(2018), “Finding Things in the Night Sky”. Truy cập từ https://calgary.rasc.ca/radecl.htm. (Ngày truy cập 16-08-2021).
- David Oesper(2018), “ Pole Stars”. Truy cập từ https://cosmicreflections.skythisweek.info/2018/03/26/pole-stars/.( Ngày truy cập 16-08-2021).