[個人寫作]從環形球儀、天球儀到星座盤－小蟑螂的土土小窩

圖片：環形球儀模型(粗環帶的部份為展示十二星座的黃道，另外包括了天球赤道和子午圈以及位在天球中心的地球等。這個模型並非精確模型。)

作者：嚴融怡

環形球儀(Armillary sphere； armilla或armil)其實就是約略等同東方渾儀的一種古代天文儀器。有不少論點認為是埃拉托斯特尼(Eratosthenes，前276年－前194年，也是地球經緯度系統的最早設計者、最早記算地球直徑的科學家)所發明，用來表現日月運行、星座位置等天文數據。環形球儀所根據的基礎便是天球模型。天球模型是將地球球面上既有的方位參考路徑，如赤道、南北兩極再向外延伸，變成一個假想的、巨大的天球，這個天球將整顆地球包圍在中間。而天球的赤道與地球的赤道平行（實際上天球赤道可視為地球赤道向外輻射延伸出去的外圈同心圓），而地球南北極向外延伸的直線則會繼續通過天球南北極。

圖片：天球示意圖。其中包括黃道（紅色）與天球坐標系統上的赤經(綠色直圈)與赤緯（綠色橫圈），圖片引自維基共享資源https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Earth_within_celestial_sphere.gif 。

圖片：以地球儀和壓克力半球面天空模型所自製的天球模型。

天球模型概念實際上是地心說（天動說）的重要架構之一（在東方，渾天說的天球配置也和天動說類似，在渾儀的設置上也和環形球儀相似，本篇省略東方渾儀的部分）。由於古人觀測到日、月、與其他恆星所在的星座大致遵循由東向西的移動路徑，那些且恆星相對的位置關係並不會改變（星座在很長期的時間當中並不會因為在天空中的移動而改變本身的星座形狀）。因此，假設所有的恆星都鑲嵌在天球上，恆星的移動路徑和所在位置便可用天球上的兩組座標顯示：赤緯與赤經。其中赤緯很類似地球表面的緯度，表現恆星與天球赤道之間的距離。從天球赤道的赤緯零度向南北極移動，可分別為負90度與正90度。赤經分為24小時，每一小時為15度。

圖片：天球赤道與黃道在天球模型(最左)以及現今地球繞太陽公轉軌道上的相對位置(中)；以及現今星座盤的高度角觀測方式(右)。

由於地球繞行太陽不是平行環繞，而是呈現一個傾斜的角度，也就是大約23.5度的轉軸傾角，因此天球赤道與黃道（天球模型當中太陽繞行地球的軌道，實際上也就是地球公轉太陽的軌道）彼此不平行。地球的轉軸傾角使得太陽直射地球的位置隨地球的公轉而變化，在春分時，太陽直射赤道；到了夏至時，太陽直射地球北回歸線；到了秋分，太陽又再度直射赤道；而冬至時，太陽則直射南回歸線。因此兩個太陽直射春分點和秋分點的位置，正是黃道和天球赤道之間的兩個相交點。天球赤經也正是以春分點的經線為零小時。當地球繞著軸心以大約24小時(其實比較小)的周期由西向東自轉時，也造成天球與所有天體都以天球極點(與地球的軸心是同一根)為中心，以相同的時間由東向西移轉動，此即為周日運動。

雖然自克卜勒提出行星三大定律以來，我們現今已經知道行星軌道為橢圓形，也知道太陽系當中包括地球在內的行星群都是繞行著太陽在移動。但是古老的天球模型仍舊在地表觀測星空的活動中相當好用，因此在克卜勒時期其實仍然有繼續使用環形球儀。而在後世的天文學家修正之後，天球模型也繼續使用於天文學的觀測活動上。

環形球儀是依據天球模型所設置，因此在古代，環形球儀一般設置了赤道(天球赤道)，可用以顯示24小時；黃道，太陽繞地球運行的軌道(就現代的解讀則可為相對軌跡)，並以太陽通過天球中的十二個星座劃分黃道12宮，可藉此判讀其他恆星和太陽的相對位置；南北回歸線，北回歸線大致起始於黃道在巨蟹宮接觸點，而南回歸線則起始於黃道和摩羯宮的接觸點；子午圈，這一個環圈是經過天球極點、觀測者所在地天頂的大圓，這有助於了解恆星所在的高度角...等等。其中有些環形球儀的設置還有各種其他環的設置，例如白道(月球運行軌道)、特別標註冬至與夏至的太陽軌跡或是其他的環圈(其他行星的運行軌道)等。古代有些環形球儀還可配置窺管，來觀測星空。環形球儀的最高峰是在第谷時期(Tycho Brahe，1546年—1601年。克卜勒的老師)，他特地為環形球儀又增添了等高儀的附件，並且曾經將環形球儀的製作方式繪製成書籍出版。但環形球儀的使用在望遠鏡發明之後逐漸衰退。而實際上，後來它的演示功能也被併入到天球儀(星座儀、星象儀)當中。

現今所更廣泛使用的星座盤(Planisphere，或是由星座盤衍生的星座盤app等)，其實正是「天球的平面」，它是以特定平面來取代原先標示星座的天球，星座盤又稱為活動星圖或旋轉星圖，觀測者只要將星圖加以旋轉到特定的日期時間，便可輕易觀測星空。實際上，它正是天球的投影，將天球所在星空的位置，壓縮投影在平面上。由於從地球上所能看見的夜空範圍主要取決於觀測者的緯度，因此星座盤窗口的投影範圍主要依據緯度而有差別，觀測者也必須選擇最接近觀測點所在地緯度的星座盤才可適用。在星座盤當中，原來立體的天球觀測系統便轉變為星星的高度角與方位。星座盤便於攜帶，對古代星空觀測者而言具有高度的機動性。世界上最早的星座盤製作者可能是比魯尼(Al-Biruni，973年－1048年)，這是中古時代的一位波斯學者，兼通數學、天文學、物理學、醫學與歷史學。月球上有一座環形山正是以他的名字命名。星座盤的發明，也讓星空的觀測更為簡便，但它作為一種簡易的觀測器具，在歷史上很長一段時間並沒有能夠取代原先的環形球儀，這是因為它所能給予的觀測資訊僅限於天空中的恆星。同時，星座盤最大的侷限，便是將球面的天體投影在一個平面上，多少都會有變形，而且任一投影法都有各自不同的限制。關於各類投影法的限制，這不僅在天文物理上會遇到，我們在地理學上全球地圖的繪製也同樣經常遇到類似的問題。然而無論如何，星座盤便於操作，也在悠久的歷史當中逐漸成為小朋友入門星空觀察的必備工作。並且成為現今許多國家在天文教育當中小學生最早接觸到的簡易天文儀器。