Khi quan sát bầu trời ta dễ dàng nhận ra các vì sao hằng đêm mọc rồi lại lặn. Chúng không cố định, mỗi mùa trong năm là những vì sao và các tinh tòa khác nhau. Hiện tượng đó là sự cộng hưởng của nhiều yếu tố: vị trí quan sát, thời điểm quan sát trong năm, và giờ trong ngày. Trong bài này hãy tìm hiểu về sự chuyển động của bầu trời trước mắt chúng ta.
Đứng trên mặt đất ta có cảm giác Trái Đất là cái rốn của vũ trụ – trung tâm mà cả bầu trời xoay quanh. Quan điểm địa tâm này đã ngự trị tâm thức loài người hàng thiên niên kỷ trong quá khứ, đến tận thời Phục Hưng. Vì nó quá hiển nhiên, đơn giản, và hợp lý. Không chỉ thế, thuyết địa tâm còn được tôn giáo và triết học ủng hộ, rao truyền vai trò độc nhất của loài người như là tâm điểm của tạo hóa.
Tuy nhiên, thuyết địa tâm lại sai. Việc lật đổ sự sai lầm ấy là bước tiến lớn trong tư duy của loài người. Vậy nên, chúng ta hãy dành chút thời gian tìm hiểu vị trí của chúng ta trong trật tự của vũ trụ bao la này.
Thiên cầu trên đầu chúng ta
Một ngày cuối tuần đẹp trời bạn đi cắm trại ở vùng quê, xa rời ánh đèn thành phố. Đêm đến, bầu trời quang đãng hiện ra vô vàn vì sao, rực rỡ và cuốn hút. Bạn có cảm tưởng bầu trời như một cái vòm khổng lồ mà bạn đứng chính giữa bên dưới nó.
Đỉnh của cái vòm ấy, ngay trên đầu bạn, gọi là zenith – thiên đỉnh, và ở nơi cái vòm tiếp giáp mặt đất, gọi là horizon – chân trời. Nếu bạn ở trên mặt biển, hay một bình nguyên rộng lớn, chân trời sẽ hiện ra trước mắt, như một vòng tròn bao quanh. Nhưng ở hầu hết mọi nơi trên thế giới, chân trời thường bị núi non, cây cối, hoặc các công trình che khuất.
Nếu bạn nằm trên bãi cỏ và dành cả đêm quan sát bầu trời, như những du mục thời cổ đại vẫn làm, bạn sẽ thấy các vì sao mọc lên ở chân trời đằng đông (tương tự Mặt Trời và Mặt Trăng), băng ngang vòm trời trong một đêm, rồi lặn ở đằng tây. Quan sát bầu trời đêm này qua đêm khác, bạn sẽ dần nhận ra rằng vòm trời mà bạn nhìn thấy mỗi đêm chỉ là một phần của bầu trời xoay quanh bạn, những vì sao mà bạn nhìn thấy sẽ dần dần đổi khác theo từng thời điểm. Vì lý do này nên người Hy Lạp cổ đại gọi bầu trời là celestial sphere – Thiên cầu, tức họ coi bầu trời như một khối cầu. Một số người nghĩ về bầu trời như một khối cầu thực sự, làm bằng pha lê trong suốt, và gắn các ngôi sao như những viên đá quý để trang trí.
Tìm hiểu về Thiên văn học:
Chòm sao là gì và truyền thuyết về các chòm sao
Thiên văn học nhập môn và những kiến thức căn bản
Lịch sử thiên văn học cổ đại
Ngày nay, chúng ta biết rằng không phải khối cầu đó xoay chuyển mỗi đêm, mà là chính Trái Đất đang xoay chuyển.
Hãy hình dung một cái trục xuyên từ cực bắc xuống cực nam của Trái Đất, gọi là trục trái đất.
Trái Đất xoay quanh trục này, cứ 24 tiếng được một vòng, nên Mặt Trời, Mặt Trăng và các vì sao trước mắt chúng ta đều đặn mọc rồi lặn mỗi ngày. Các thiên thể cũng không nằm trên một cái vòm, nhưng ở cách rất xa chúng ta. Tuy thế, chúng ta vẫn dùng từ vòm trời và sử dụng khái niệm ấy để dễ quan sát các thiên thể. Thậm chí người ta còn chế tạo ra một thứ sân khấu đặc biệt, gọi là cung thiên văn, trong đó họ mô phỏng vị trí các vì sao và hành tinh lên một cái vòm màu trắng.
Khi thiên cầu xoay vòng, các thiên thể giữ nguyên vị trí so với nhau. Các tinh tòa như Đại Hùng không thay đổi hình dạng khi di chuyển trên bầu trời. Ngay cả các hành tinh là những thiên thể dễ quan sát chuyển động nhất dường như cũng không thay đổi vị trí so với các vì sao xung quanh chúng. Chỉ có sao băng, vụt sáng trên bầu trời trong vài giây, là chuyển động rõ ràng hơn cả trên bầu trời. (Đó là vì chúng không phải là các vì sao, mà chỉ là những mảnh vụn của vũ trụ, bị đốt cháy khi rơi vào khí quyển Trái Đất.)
Vì trước mắt chúng ta, cả bầu trời xoay chuyển, nên ta có thể tận dụng thực tế ấy để xây dựng một hệ thống theo dõi thiên thể, và dự đoán những sẽ xảy ra tại một thời điểm nào đó.
Các cực của bầu trời, và đường xích đạo của thiên cầu
Giới thiên văn sử dụng hệ thống mở rộng các trục Trái Đất lên bầu trời để giúp định hướng.
Các bạn hãy hình dung một đường thẳng chạy xuyên qua Trái Đất, nối Bắc Cực và Nam Cực, gọi là trục Trái Đất, và Trái Đất xoay quanh cái trục đó.
Ta kéo dài cái trục này ra thì giao điểm của nó với bầu trời sẽ được gọi là thiên cực, ở hai đầu ta sẽ có thiên cực bắc và thiên cực nam. Khi đó Trái Đất và Thiên cầu sẽ là hai khối cầu đồng trục. Trái Đất xoay quanh trục theo hướng tây sang đông thì bầu trời trước mắt người quan sát sẽ xoay theo hướng ngược lại từ đông sang tây.
Vị trí đứng trên Trái Đất sẽ làm thay đổi góc quan sát bầu trời. Chuyển động biểu kiến (biểu kiến tức là như mắt nhìn thấy) của thiên cầu phụ thuộc vào vĩ độ quan sát (vị trí của bạn so với đường xích đạo). Trước tiên, lưu ý rằng trục Trái Đất hướng vào hai cực của bầu trời, cũng là hai điểm gần như không chuyển động.
Nếu bạn đứng ở Bắc Cực hay Nam Cực của Trái Đất thì thiên cực nằm ngay trên đỉnh đầu bạn. Đường xích đạo của thiên cầu, ta gọi là thiên đạo, tạo thành 1 góc 90 độ so với thiên cực, sẽ nằm ở chân trời trước mắt bạn. Khi bạn quan sát các vì sao trong đêm thì chúng sẽ xoay tròn quanh thiên cực, không mọc cũng không lặn. Người đứng ở Bắc Cực chỉ có thể nhìn thấy phần phía bắc của thiên cầu. Tương tự, người đứng ở Nam Cực chỉ nhìn thấy phần bầu trời phía nam của thiên cầu.
Nếu bạn đứng ở xích đạo Trái Đất thì bạn có thể nhìn thấy thiên đạo (thiên đạo của thiên cầu chỉ là đường xích đạo của Trái Đất mở rộng ra) băng qua trên đỉnh đầu của bạn. Các cực của bầu trời sẽ nằm ở phía chính bắc và và chính nam nơi đường chân trời mà bạn nhìn thấy. Khi bầu trời xoay chuyển thì tất cả mọi vì sao sẽ bắt đầu mọc và lặn. Chúng chuyển động thẳng từ chân trời phía đông sang chân trời phía tây. Trong vòng 24 giờ, tất cả các vì sao sẽ có 12 tiếng nằm phía trên đường chân trời (tất nhiên, ban ngày thì chúng ta không thể thấy chúng vì mặt trời quá sáng).
Vùng trời xoay quanh cực
Vậy nếu người quan sát đứng ở Mỹ hay châu Âu thì sao? Trong tình huống này thì chúng ta không phải ở Bắc Cực, cũng không phải ở trên đường xích đạo, mà là đâu đâu giữa hai điểm này. Đối với những người đứng ở Mỹ hay châu Âu thì thiên cực bắc không nằm trên đỉnh đầu cũng không nằm trên đường chân trời của họ, nhưng nằm ở giữa. Thiên cực sẽ xuất hiện phía trên chân trời phương bắc, ở một góc bằng với vĩ độ của người quan sát. Ví dụ nếu đứng tại San Francisco, nơi có vĩ độ là 38 độ Bắc, thì thiên cực bắc của sẽ nằm ở một góc 38 độ so với chân trời phía bắc.
Đối với người đứng ở vĩ độ 38 độ Bắc, thì thiên cực nam sẽ nằm ở góc 38 độ bên dưới đường chân trời phía nam, và vì thế đương nhiên chúng ta không thể nhìn thấy. Khi Trái Đất xoay chuyển thì toàn bộ bầu trời dường như chuyển động chung quanh thiên cực bắc. Đối với người quan sát này thì các vì sao nằm chung quanh thiên cực bắc ở chỗ 38 độ đó sẽ không di chuyển. Chúng luôn luôn nằm phía trên đường chân trời, ngày cũng như đêm. Phần bầu trời bất động ấy được gọi là north circumpolar zone (vùng trời xoay quanh thiên cực bắc). Đối với người quan sát đứng ở Mỹ thì chòm Đại Hùng, Tiểu Hùng, và Cassiopeia là những chòm sao nằm trong vùng trời xoay quanh cực. Mặt khác, các vì sao nằm trong vùng trời 38 độ ở thiên cực nam sẽ không bao giờ mọc lên đường chân trời của người quan sát. Phần trời đó là vùng trời xoay quanh thiên cực nam. Đối với hầu hết những người quan sát tại Mỹ thì chòm sao Thập Tự Phương Nam nằm trong vùng trời này.
Trong thế kỷ 21 này của chúng ta, có một ngôi sao nằm rất gần thiên cực bắc, vậy nên ta gọi nó là Polaris, sao Bắc Cực, và nó là ngôi sao ít dịch chuyển nhất của thiên cầu bắc. Vì nó dịch chuyển rất ít trong khi các vì sao khác mọc rồi lại lặn, cho nên sao Bắc Cực đóng một vai trò đặc biệt trong truyền thuyết của nhiều dân tộc.
