天球

天球，是研究天體的位置和運動，而引進的一個假想圓球。根據所選取的天球中心不同，有日心天球、地心天球等，各個天體同地球上的觀測者的距離都不相同。

相比天體和觀察者間的距離，觀測者隨地球相對於上文中幾乎做慣性運動的天體移動的距離是小量，所以看上去天體似乎都離我們一樣遠，彷彿散布在以觀測者為中心的一個圓球的球面上。實際上我們看到的是天體在這個巨大的圓球的球面上的投影位置，這個圓球就稱為天球。

觀測者所能直接辨別的只是天體的方向。在球面上處理點和弧段的關係，比在空間處理視線方向間的角度要簡便得多。在天文學的一些應用中,都用天體投影在天球上的點和點之間的大圓弧段來表示它們之間的位置關係。

天球的半徑是任意選定的，可以當作數學上的無窮大。為了定量地表示和研究天體投影在天球上的位置和運動,需要在天球上建立參考坐標系，並主要應用球面三角學計算點位的關係。它假定各天體在天球表面上的投影就是天體在宇宙空間中的位置。

● 旋轉

相對於地球不動的概念，天球上的物體也是每24小時圍繞著天極旋轉的。這就是晝夜運動，太陽、行星、衛星等等都是東升西落,這稱為天球的周日視運動。因為地球有公轉的緣故，一顆恆星總是比它前一天提前約4分鐘升起。

天球可被它的赤道（即天赤道）分成北天半球和南天半球兩部分。對應著有北回歸線、南回歸線與南極、北極。因為地球是自西向東旋轉，所以天球上的物體都是相對天球自東向西旋轉。

可以構建一個天球坐標系統來量化天空物體的朝向。而因為有天球的概念后，天文學家以此開始創立不同坐標系如黃道坐標系和銀道坐標系。但要注意的是，天球儀是在天球外看天球，天象廳或模擬星象是在天球內看天球。

● 產生

許多古代科學家都相信天上的星星是與地球等距離的，這個球就是宇宙的真正的模型。儘管這是不正確的，但它仍不失為一種很好的抽象系統。

天空中的一切都不是僅憑我們的肉眼就能夠判斷出距離的。正因為此，我們僅能通過它們的朝向來確定其在天空中的位置。於是，天球就成了一個很有用的天文定位的工具了。

根據觀測位置的不同，就具有不同的天球中心。嚴格來說，不同的觀測者就有不同的天球中心。在地面上觀測時，觀測者的眼睛就是天球中心，這樣建立起來的天球叫做地面天球。

如果從地心觀測，則叫做地心天球。把地軸無限延長，就是假想的天軸，地球北極指的一點是北天極，地球南極指的一點就是南天極。通過地球中心和天軸垂直的平面叫做天赤道面，天赤道面和天球的會合處就是天赤道。

太陽在天球上每天移動約1度，一年則移動一周，這稱之為太陽周年視運動，太陽中心在天球上視運動的軌跡則是黃道。

周日運動

星體在天上每日旋轉一圈，這運動稱為周日運動。把地球自轉軸延伸到天球上的位置，就是天球的北極和南極。把地球的赤道伸延到天球上的位置，就是天球赤道了。

有一顆2等星非常接近天球北極，所以看來似乎永遠靜止不動，其它的星就好像繞著它旋轉。我們稱這顆星為北極星。因為北極星看來永遠靜止不動停留在正北方及不會下山，所以我們像居住在北半球的人便可以利用北極星來辨別方向。可惜的是，天球南極附近沒有光星，所以沒有「南」極星為南半球居民引路。

北極星相對於地面的高度取決於觀測者所在地的緯度。例如在北京，北極星會在正北，離地面40度；在北極，北極星會在頭頂（天頂）；在赤道的地方，北極星剛好躺在水平線上；而在南半球，北極星是永遠不會升出地平線，所以在南半球是永遠看不到北極星。同樣道理，有些星永遠不會東升。居住在北半球的人永遠看不到接近南天極的星，而居住在南半球的人同樣也看不到接近北天極的星。

廣袤無垠的天空，看起來像一個龐大的圓球，全部日月星辰好像都分佈在這個球面上。天文學上就將以地球為中心，以無限大為半徑，內表面分佈著各種各樣天體的球面稱為天球。

以地球球心為中心，且具有很大半徑的假想圓球。想象中，所有天體都附著在天球上。

天球是研究天體的位置和運動而引進的一個半徑為任意的假想圓球。根據所選取的天球中心不同，有站心天球、日心天球、地心天球等，各個天體同地球上的觀測者的距離都不相同。

● 天球儀

進一步說:

我們站在地球上仰望星空，看到天上的星星好像都離我們一樣遠。星星就好像鑲嵌在一個圓形天幕上的寶石。

實際星星和我們的距離有遠有近，我們看到的是它們在這個巨大的圓球球面上的投影，這個假想的圓球就稱為天球，它的半徑是無限大。而地球就懸掛在這個天球中央。

星星在天空中移動的方向並不是雜亂無章的，而且星座的形狀並不會改變。星星從東方的地平線爬上來，爬到最高點（中天），然後往西方沉下去。看起來就像整個天球圍繞著地球旋轉一樣。相信大家都明白，地球並不是宇宙的中心，星體並不會繞著地球轉。

星體在天空中繞著地球旋轉，是因為地球自轉而產生的錯覺，天球本身是不會移動的。我們身在地球中，並不會感覺自己在轉動的，就好像我們乘坐火車時看見窗外的景物向後移動，而並不感覺到自己在移動中。

● 距離

地球上的距離，有角距離和線距離。但在天球上，只有角距離而沒有線距離，因為天球的大小是任意的。至於兩個天體間的實際距離，例如，牛郎星和織女星相距16.4光年，那是指空間的直線距離。天球上的任何一點，都只代表一個空間方向；任何兩點間的弧長，實際上就是兩個方向間的夾角。例如，牛郎星和織女星的角距離為35°

為了準確形容天上星體的位置，天文學家制訂了一套坐標系統來標示星體在天球上的位置。這套坐標系統和地球上慣用的經緯度坐標十分相似。

這套坐標系統把天球分為赤緯及赤經。赤緯的演演算法是從天球赤道開始至兩極止，天球赤道是0度，向北至天球北極是+90度，向南至天球南極是-90度。赤經的演演算法較特別，和地球經度（由-180度至+180度）的演演算法不同，赤經是在天球赤道自西向東由0小時至24小時，就是把一周360度平均分成24份，可以知道其中的1小時就等於15度。和時間一樣，赤經的每小時可分為60分，每分可再細分為60秒。另外，這裡的分秒是指時分時秒，和傳統意義上的角分角秒不同，1時分=15角分，1時秒=15角秒。赤經計算的起點為春分點，春分點是太陽在每年的春分（3月21日前後）所處的位置。

像轉動中的陀螺一樣，地球的自轉軸在太空中其實並不固定，而是以26000年的周期在轉動，這個運動稱為歲差，所以，春分點和天球北極的位置亦會非常緩慢地移動。所以，當我們使用天球坐標來標示天體的位置時，應該同時指出是哪一年的坐標，例如公元2000.0年。

● 天半球

天球被赤道的投影分為兩個空間，分別為南天球和北天球。同樣的，我們也可以在天球上找到北回歸線、南回歸線、天北極和天南極，可以量化天球上各種物體的方向，建構出各種的天球坐標系統。

因為地球是自西向東旋轉，所以我們就把天球看成是自東向西旋轉。

太陽在天球上每天移動約1度，一年則移動一周（360度），這稱之為太陽周年視運動，太陽中心在天球上視運動的軌跡則是黃道。