04　北极星

4.1 北极星为什么无法永远霸占夜空的C位？

银河系之旅的第四站，我们要拜访与地球相距433光年的北极星，中国古人称之为勾陈一（图4.1）。

北极星或许是除太阳以外最有名的恒星。它之所以会如此有名，是因为它占据了北半球夜空的C位。那什么是北半球夜空的C位呢？让我从地球的运动状态讲起。

图4.2展示了地球公转和自转的情况。我们在太阳系之旅中讲过，地球一直在一个固定平面内绕太阳公转，这个平面就是所谓的黄道面。另一方面，由于自转，地球有了一个赤道，而这个赤道所在的平面就是赤道面。要强调的是，黄道面和赤道面并不重合，两者之间有一个23.4°的夹角。

正是这个23.4°的夹角，带来了地球的四季变迁。图4.3就展示了其中的道理。如果黄道面与赤道面重合，也就是两者之间的夹角为0，那么太阳发出的平行光就会永远均匀地照射到地球的南北半球。这样一来，地球各地每天接收到的太阳热量将固定不变，所以就不会再有四季变迁。但有了一定的夹角以后，太阳发出的光就会不均匀地照射到地球的南北半球。随着地球的公转，南北半球得到的太阳热量将出现周期性此消彼长的现象。其中有半年时间，北半球会得到更多的太阳热量；另外的半年时间，南半球会得到更多的太阳热量。这就造成了地球上的四季交替。

现在让我们把注意力集中在地球的自转。由于地球一直在自转，我们看到的天上繁星的位置将不断变化。原因很简单。如果你在一个房间里不停地转圈，那么你就会觉得房间里家具都在绕着你旋转。但有一样东西的位置始终固定不变，那就是位于你头顶正上方的吊灯。同样的道理，位于地球“头顶正上方”（也就是所谓的“北天极”）的天体，它的位置也不会随地球自转而发生改变。而与北天极最接近的天体，就是我们游览的这个北极星（图4.4）。

因此，我们经常可以看到一些像图4.5那样的延时天文照片：其他天体都在沿一些同心圆的轨道运动，只有北极星，就像天皇巨星似的，始终静止在这些同心圆的中心。这就是北半球夜空的C位。

现在问题来了：北极星能永远霸占这个北天极的C位吗？答案是否定的。

最早意识到这一点的人，是我们的老朋友、古希腊著名天文学家喜帕恰斯。

喜帕恰斯的生平经历已经消失在历史的迷雾中。我们只知道，他出生在小亚细亚半岛的尼西亚，后来长期定居在希腊的罗德岛。除此以外，人们对喜帕恰斯就几乎一无所知了。

可能你会觉得奇怪了：“这么一个虚无缥缈的人物，为什么后来在天文学界能获得如此盛名？”答案是，他的科学贡献被写进了一本划时代的天文学巨著，那就是我们在太阳系之旅中介绍过的托勒密的《至大论》。

根据《至大论》的记载，在公元前127年，喜帕恰斯发现了一个非常重要的天文现象，后人把它称为岁差。

为了介绍岁差，我得先给你介绍一点关于天球的基础知识。我们在太阳系之旅中讲过，可以把宇宙想象成一个巨大的球面，称为天球。把黄道面无限延伸，会与天球相交成一个圆（即图4.6中红色的圆）。在地球上看来，这个圆就是太阳在天球上的运动轨迹，也就是所谓的黄道。

利用经度和纬度，就可以标记地球表面任意一点的坐标。同样的道理，也可以利用黄经和黄纬，来标记天球上任意一颗恒星的坐标。

在公元前127年，喜帕恰斯测量了黄道附近的1000多颗恒星的黄经和黄纬，并把他的测量结果与前人的观测数据进行了对比。喜帕恰斯发现，这些恒星的黄纬没有变化，但它们的黄经却整体性地向西偏移。这意味着，地球的昼夜平分点（也就是春分点和秋分点）并非静止不动，而是会在黄道上不断向西移动。这个地球昼夜平分点在黄道上整体偏移的现象，就是所谓的岁差。

为什么会出现岁差现象呢？让我们从一种叫陀螺的玩具说起（图4.7）。这是一种整体呈圆形、底端很尖锐的玩具。玩的时候，需要先把它用绳子缠起来，再把绳子用力抽出来，然后陀螺就会在地上快速打转了。

开始的时候，陀螺的旋转会比较稳定。换句话说，陀螺的自转轴就是一条固定不变的直线。但过了一段时间以后，陀螺就会变得东倒西歪。换言之，陀螺的自转轴将会绕一个圆锥的边缘不断打转。

由于受到其他天体引力的影响（主要的是月球和太阳），地球也变成了一个东倒西歪的陀螺（图4.8）。也就是说，地球的自转轴也在绕一个圆锥的边缘不断打转。天文学上把这个现象称为地球自转轴进动。正是地球自转轴的进动，导致了岁差的现象。

知道了地球自转轴进动，我们就可以来聊聊北极星的地位问题了。

随着地球自转轴的不断进动，能占据北天极的恒星也将不断变换。因此，再过上一段时间，北极星就会让出北半球夜空的C位。此外，地球自转轴的进动相当缓慢。根据目前的观测，地球自转轴大概要花26 000年的时间才能进动一圈。这意味着，如果北极星失去了北天极的位置，只要再等上大概26 000年，就能把这个C位再抢回来。

我们已经介绍了北极星为什么不能永远占据北半球夜空的C位。4.2节，我们会再介绍一些北极星的鲜为人知的秘密。