Скорость движения солнца по небесной сфере

Брадлей в 1742 году обнаружил, что средние собственные движения звёзд почти по всему небу отличны от нуля и параллельны некоторому определенному направлению в пространстве. Естественно рассматривать это явление как результат движения Солнца относительно близких к нему звёзд. Изучение движения Солнца в пространстве явилось исторически первой задачей по исследованию звёздной кинематики.

Точка на небесной сфере, к которой направлено движение Солнца, называется апексом движения Солнца, или просто апексом, а диаметрально противоположная ей точка на небесной сфере — антиапексом. Само движение Солнца относительно окружающих его звёзд носит название движения к апексу. Составляющую собственного движения звёзд, вызванную движением Солнца к апексу, иногда называют, как уже говорилось в одной из предыдущих лекций, вековым параллаксом.

Можно рассматривать движение Солнца к апексу относительно всех наблюдаемых звёзд, или же относительно звёзд, отобранных по какому-либо признаку. В пространстве нет выделенной системы отсчёта, относительно которой можно было бы определить движение Солнца. Чтобы определить систему отсчёта, вводят понятие центроида группы объектов. Центроид задается всеми объектами рассматриваемой группы, а скоростью центроида считается средняя скорость движения этих объектов. Каждый из объектов, входящий в рассматриваемую группу (в том числе Солнце), имеет свою, так называемую пекулярную или остаточную скорость относительно центроида этих объектов. Очевидно, что сумма скоростей всех объектов относительно их центроида равна нулю. Центроид можно определить как точку, занимаемую Солнцем, движущуюся относительно его же со скоростью, равной средней скорости объектов в данном элементарном макроскопическом объеме пространства. Этот объем должен быть достаточно велик, чтобы в него попадало много объектов, но при этом составлять малую долю объема всей звёздной системы. Понятие центроида применимо к любой точке объема Галактики. При таком определении понятия центроида звёздная система приобретает свойство непрерывности , а скорости центроидов определяют ее поле скоростей .

Движение Солнца относительно центроида визуально ярких звёзд до 5 m — 6 m , среди которых встречаются как близкие звёзды, так и далекие гиганты и сверхгиганты, получило название стандартного движения Солнца . Округленные значения сферических экваториальных координат точки неба, в которую направлен вектор остаточной скорости Солнца (координаты стандартного апекса) приняты равными A=18 h , D=+30&#176, а величина скорости движения к апексу равна V₀ = 19.5 км/с. Соответствующие координаты стандартного апекса в галактической системе координат есть L = 56&#176, B = +23&#176. Компоненты скорости Солнца в галактической системе координат получим по формулам:

Отсюда возможно и обратное преобразование:

Для стандартного апекса в галактической системе координат имеем: u₀ = -10.2км/с, v₀ = +15.1 км/с, w₀ = +7.4 км/с.

Кроме выделяют так называемое основное движение Солнца , относя его к центроиду близких (в пределах, например, 25 пк от Солнца) звёзд главной последовательности. Оно определяется следующими величинами: V₀ = 15.5 км/с, L = 45&#176, B = +24&#176. Определение движения Солнца относительно этой группы звёзд более обосновано, чем определение движения относительно разнородной совокупности ярких звёзд.

Наконец, движение Солнца относительно центра инерции Галактики получится прибавлением к основному движению Солнца линейной скорости вращения Галактики на солнечном галактоцентрическом расстоянии, с которой, по предположению, движется центроид окружающих Солнце близких звёзд.

Определить движение Солнца относительно избранного центроида нетрудно по лучевым скоростям объектов, определяющих центроид. Если известны расстояния до объектов, компоненты движения Солнца можно определить и по собственным движениям. Для определенности возьмем объектами нашей выборки звёзды, хотя скорость Солнца можно определять и относительно звёздных скоплений, отдельных газовых облаков, планетарных туманностей и других объектов.

Пусть единственной, кроме остаточной скорости звезды, составляющей движения является отражение движения Солнца в пространстве. Тогда для лучевых скоростей и собственных движений можно записать:

В выражениях (9-3) в правых частях штрихами обозначены остаточные компоненты скорости звезды, которые для больших объемов выборок должны согласно определению центроида в среднем компенсироваться. Поэтому можно принять их равными нулю и использовать выражения (9-3) для получения оценок величин компонентов движения Солнца в пространстве методом наименьших квадратов.

Движение Солнца в пространстве, как величина, определяющая систему отсчёта скоростей в Галактике, неоднократно определялось разными авторами относительно различных центроидов. В таблице 9-1 приведены некоторые из этих определений, взятые из работ различных исследователей. В первом столбце таблицы указаны объекты, относительно которых определено пространственное движение Солнца, а в шести последующих — величина этого движения.

Центроид	V _&#164 км/с	L _&#164 град	B _&#164 град	u _&#164 км/с	v _&#164 км/с	w _&#164 км/с
Круговые орбиты	18.5	—	—	-8.5	14.8	(7.0)
Области HII	—	—	—	-7.5	13.1	(7.0)
B0V	19	57	21	-9.6	14.5	6.7
F0V	17	44	25	-11.1	10.8	7.2
G0V	26	56	15	-14.5	21.1	6.4
K5V	25	68	14	-9.5	22.4	5.8
K0III	22	60	17	-10.6	18.6	6.5
&#948 Cep	17	54	27	-8.6	12.0	7.6
O-B5 I	17	56	13	-9.0	13.4	6.5
Межзвёздный CaII	20	52	24	-11.4	14.4	8.2
Рассеянные скопления	22	70	22	-7.0	19.5	8.2
Субгиганты	36	75	15	-8.0	28.0	8.0
Белые карлики	38	81	12	-6.0	37.0	8.0
Субкарлики	150	93	1	8	150	3
RR Lyr	225	90	6	0	225	25
Шаровые скопления	182	87	2	-10	182	6

Для наименьших значений движения Солнца (первые шесть строк таблицы 9-1) ошибки каждого компонента составляют (1 — 2) км/c, для остальных — несколько больше. Хорошо видно, что движение Солнца в пространстве разделяет объекты Галактики по кинематическим признакам на две подсистемы. К первой подсистеме относится большинство звёзд окрестностей Солнца с умеренными скоростями, к этой же подсистеме относятся рассеянные звёздные скопления и зоны HII, при этом более старые объекты показывают несколько большее движение. Очень сильно от этих подсистем отличаются по кинематическим признакам шаровые звёздные скопления, звёзды типа RR Лиры и субкарлики. Отметим, что межзвёздная среда по кинематическим характеристикам не отличается от большинства звёзд окрестностей Солнца.

Отдельно рассмотрим определение скорости Солнца относительно звёзд с круговыми галактическими орбитами. Дело в том, что имеется способ однозначно, независимо от выборки объектов определить точку отсчёта скоростей в окрестности Солнца, связав ее с круговой скоростью движения в Галактике , определив ее как скорость движения по круговой орбите на расстоянии Солнца от центра Галактики. У звёзд, движущихся по орбитам близким к круговым, остаточные скорости должны быть близки к нулю. Для определения движения Солнца относительно центроида звёзд, движущихся по круговым орбитам, необходимо создать большую выборку звёзд и постепенно удалять из нее звёзды с большими остаточными скоростями. В первой строке таблицы 9-1 движение Солнца было определено по выборке ОВ-звёзд окрестностей Солнца (около 450 звёзд), половина из которых была удалена как имеющая наибольшие остаточные скорости относительно среднего значения. Такой выбор базового центроида фиксирует систему отсчёта к наиболее молодым близким звездам поля, которые, по предположению, должны двигаться по круговым орбитам, как и межзвёздная среда, из которой они образовались. (Последнее утверждение верно лишь приблизительно, поскольку, как будет отмечено ниже, основная масса близких ОВ-звёзд принадлежит движущемуся относительно круговой скорости на солнечном галактоцентрическом расстоянии Поясу Гулда.) Одновременно и остаточные скорости самых разных объектов можно изучать относительно одного центроида, связанного физически с Галактикой в целом.

Движение Солнца в пространстве определяет систему отсчёта скоростей в окрестностях Солнца, так называемую локальную систему покоя (английская аббревиатура — LSR).

Источник

2.4. Эклиптика

Положение эклиптики и эклиптическая система координат

Из наблюдений нетрудно установить, что Солнце в течение года перемещается среди звёзд с запада к востоку по большому кругу небесной сферы, который называется эклиптикой. Название эклиптика связано с затмениями (от лат. eclipsis) Луны или Солнца, т.к. они происходят, когда Луна в день новолуния или полнолуния пересекает круг эклиптики. Плоскость эклиптики ξ’♈ξ♎ наклонена к плоскости небесного экватора под углом ε = 23°26′. Диаметр ПП’, перпендикулярный к плоскости эклиптики, называется осью эклиптики и пересекается с поверхностью небесной сферы в северном полюсе эклиптики П (в северном полушарии) и в южном полюсе эклиптики П’ (в южном полушарии). Эклиптика пересекается с небесным экватором в двух точках: в точке весеннего равноденствия ♈ и в точке осеннего равноденствия ♎. Точки эклиптики, отстоящие от равноденственных на 90°, называются точкой летнего солнцестояния ξ (в северном полушарии) и точкой зимнего солнцестояния ξ’ (в южном полушарии). Большой полукруг небесной сферы ПМП’ называется кругом широты светила М.

2.4.2. Суточное и годовое движение Солнца

Годовое движение Солнца по небесной сфере

За сутки Солнце смещается по эклиптике примерно на 1° (360° за 365,25 сут), двигаясь против часовой стрелки, если смотреть из центра небесной сферы. Поскольку это движение Солнца накладывается на вращение небесной сферы, то траектория годового движения Солнца по небесной сфере может быть представлена в виде спирали, навитой на шар. В течение астрономических зимы и весны, т. е. в промежуток времени от дня зимнего солнцестояния до дня летнего, Солнце поднимается по этой спирали вверх. Верхнюю точку спирали – точку летнего солнцестояния ξ Солнце проходит примерно 21–22 июня. Затем в течение астрономических лета и осени Солнце опускаться вниз. В нижней точке спирали ξ’ Солнце оказывается в день зимнего солнцестояния. 20–21 марта Солнце находится в точке ♈, его склонение δ_☉ = 0 и прямое восхождение α_☉ = 0. В этот день (весеннего равноденствия) Солнце восходит точно в точке E и заходит в точке W. Максимальная высота центра Солнца над горизонтом в полдень этого дня (верхняя кульминация): h_☉ = 90° – φ + δ_☉ = 90° – φ. Затем Солнце сдвинется по эклиптике ближе к точке ξ, т.е. δ_☉ > 0 и α_☉ > 0. 21–22 июня Солнце находится в точке ξ, его склонение максимально δ_☉ = 23°26′, а прямое восхождение α_☉ = 6 h . В полдень этого дня (летнего солнцестояния) Солнце поднимается на максимальную высоту над горизонтом: h_☉ = 90° – φ + 23°26′. Т.о., в средних широтах Солнце никогда не бывает в зените. Затем Солнце сдвинется по эклиптике ближе к точке ♎, т. е. δ_☉ начнёт уменьшаться. Около 23 сентября Солнце придёт в точку ♎, его склонение δ_☉ = 0, прямое восхождение α_☉ = 12 h . Этот день (начало астрономической осени) называется днём осеннего равноденствия. 22–23 декабря Солнце окажется в точке ξ’, его склонение минимально (δ_☉ = –23°26′), а прямое восхождение α_☉ = 18 h . Максимальная высота Солнца над горизонтом равна: h_☉ = 90° – φ – 23°26′. Изменение экваториальных координат Солнца в течение года происходит неравномерно. Склонение изменяется быстрее всего при движении Солнца вблизи точек равноденствий, и медленнее всего – вблизи точек солнцестояний. Прямое восхождение, наоборот, медленнее изменяется вблизи точек равноденствий, и быстрее – вблизи точек солнцестояний. Видимое движение Солнца по эклиптике связано с действительным движением Земли по своей орбите вокруг Солнца, а также с тем фактом, что ось вращения Земли не перпендикулярна плоскости её орбиты, а составляет угол ε = 23°26′. Если бы этот угол был равен нулю, то на любой широте в любой день года день был бы равен ночи (без учёта рефракции и размера Солнца). С годовым движением Солнца связан феномен полярных дней, длящихся от 24 h до полугода и соответствующих ночей, которые наблюдаются за полярными кругами, широты которых определяются условиями: φ = ±(90° – ε) = ±66°34′.

2.4.3. Эклиптическая система координат

Эклиптика ξ’♈ξ♎ и ♈ лежат в основе эклиптической системы небесных координат. Одна координата – эклиптическая широта β светила М, которой называется дуга круга mM от эклиптики до светила, или центральный угол mOM. Эклиптические широты отсчитываются от 0° до +90° к П и от 0° до –90° к П’. Вторая координата – эклиптическая долгота λ, которая определяет положение самого круга широты на небесной сфере. Эклиптическая долгота λ светила М – дуга ♈m эклиптики от ♈ до круга широты светила, или центральный угол ♈Om в плоскости эклиптики. Эклиптические долготы отсчитываются в сторону видимого годичного движения Солнца по эклиптике, т.е. с запада на восток от 0° до 360°.

2.4.4. Изменение со временем положений небесного экватора, эклиптики и точек весеннего и осеннего равноденствий

Прецессионное движение северного полюса мира