04　北極星

4.1 北極星為什么無法永遠霸占夜空的C位？

銀河系之旅的第四站，我們要拜訪與地球相距433光年的北極星，中國古人稱之為勾陳一（圖4.1）。

北極星或許是除太陽以外最有名的恒星。它之所以會如此有名，是因為它占據了北半球夜空的C位。那什么是北半球夜空的C位呢？讓我從地球的運動狀態講起。

圖4.2展示了地球公轉和自轉的情況。我們在太陽系之旅中講過，地球一直在一個固定平面內繞太陽公轉，這個平面就是所謂的黃道面。另一方面，由于自轉，地球有了一個赤道，而這個赤道所在的平面就是赤道面。要強調的是，黃道面和赤道面并不重合，兩者之間有一個23.4°的夾角。

正是這個23.4°的夾角，帶來了地球的四季變遷。圖4.3就展示了其中的道理。如果黃道面與赤道面重合，也就是兩者之間的夾角為0，那么太陽發出的平行光就會永遠均勻地照射到地球的南北半球。這樣一來，地球各地每天接收到的太陽熱量將固定不變，所以就不會再有四季變遷。但有了一定的夾角以后，太陽發出的光就會不均勻地照射到地球的南北半球。隨著地球的公轉，南北半球得到的太陽熱量將出現周期性此消彼長的現象。其中有半年時間，北半球會得到更多的太陽熱量；另外的半年時間，南半球會得到更多的太陽熱量。這就造成了地球上的四季交替。

現在讓我們把注意力集中在地球的自轉。由于地球一直在自轉，我們看到的天上繁星的位置將不斷變化。原因很簡單。如果你在一個房間里不停地轉圈，那么你就會覺得房間里家具都在繞著你旋轉。但有一樣東西的位置始終固定不變，那就是位于你頭頂正上方的吊燈。同樣的道理，位于地球“頭頂正上方”（也就是所謂的“北天極”）的天體，它的位置也不會隨地球自轉而發生改變。而與北天極最接近的天體，就是我們游覽的這個北極星（圖4.4）。

因此，我們經常可以看到一些像圖4.5那樣的延時天文照片：其他天體都在沿一些同心圓的軌道運動，只有北極星，就像天皇巨星似的，始終靜止在這些同心圓的中心。這就是北半球夜空的C位。

現在問題來了：北極星能永遠霸占這個北天極的C位嗎？答案是否定的。

最早意識到這一點的人，是我們的老朋友、古希臘著名天文學家喜帕恰斯。

喜帕恰斯的生平經歷已經消失在歷史的迷霧中。我們只知道，他出生在小亞細亞半島的尼西亞，后來長期定居在希臘的羅德島。除此以外，人們對喜帕恰斯就幾乎一無所知了。

可能你會覺得奇怪了：“這么一個虛無縹緲的人物，為什么后來在天文學界能獲得如此盛名？”答案是，他的科學貢獻被寫進了一本劃時代的天文學巨著，那就是我們在太陽系之旅中介紹過的托勒密的《至大論》。

根據《至大論》的記載，在公元前127年，喜帕恰斯發現了一個非常重要的天文現象，后人把它稱為歲差。

為了介紹歲差，我得先給你介紹一點關于天球的基礎知識。我們在太陽系之旅中講過，可以把宇宙想象成一個巨大的球面，稱為天球。把黃道面無限延伸，會與天球相交成一個圓（即圖4.6中紅色的圓）。在地球上看來，這個圓就是太陽在天球上的運動軌跡，也就是所謂的黃道。

利用經度和緯度，就可以標記地球表面任意一點的坐標。同樣的道理，也可以利用黃經和黃緯，來標記天球上任意一顆恒星的坐標。

在公元前127年，喜帕恰斯測量了黃道附近的1000多顆恒星的黃經和黃緯，并把他的測量結果與前人的觀測數據進行了對比。喜帕恰斯發現，這些恒星的黃緯沒有變化，但它們的黃經卻整體性地向西偏移。這意味著，地球的晝夜平分點（也就是春分點和秋分點）并非靜止不動，而是會在黃道上不斷向西移動。這個地球晝夜平分點在黃道上整體偏移的現象，就是所謂的歲差。

為什么會出現歲差現象呢？讓我們從一種叫陀螺的玩具說起（圖4.7）。這是一種整體呈圓形、底端很尖銳的玩具。玩的時候，需要先把它用繩子纏起來，再把繩子用力抽出來，然后陀螺就會在地上快速打轉了。

開始的時候，陀螺的旋轉會比較穩定。換句話說，陀螺的自轉軸就是一條固定不變的直線。但過了一段時間以后，陀螺就會變得東倒西歪。換言之，陀螺的自轉軸將會繞一個圓錐的邊緣不斷打轉。

由于受到其他天體引力的影響（主要的是月球和太陽），地球也變成了一個東倒西歪的陀螺（圖4.8）。也就是說，地球的自轉軸也在繞一個圓錐的邊緣不斷打轉。天文學上把這個現象稱為地球自轉軸進動。正是地球自轉軸的進動，導致了歲差的現象。

知道了地球自轉軸進動，我們就可以來聊聊北極星的地位問題了。

隨著地球自轉軸的不斷進動，能占據北天極的恒星也將不斷變換。因此，再過上一段時間，北極星就會讓出北半球夜空的C位。此外，地球自轉軸的進動相當緩慢。根據目前的觀測，地球自轉軸大概要花26 000年的時間才能進動一圈。這意味著，如果北極星失去了北天極的位置，只要再等上大概26 000年，就能把這個C位再搶回來。

我們已經介紹了北極星為什么不能永遠占據北半球夜空的C位。4.2節，我們會再介紹一些北極星的鮮為人知的秘密。