Da vores fjerne forfædre først bemærkede himlen med noget nær den menneskelige bevidsthed, var det uden tvivl den daglige bevægelse af Solen, der tiltrak sig deres opmærksomhed. Som civilisationer blev mere opmærksomme på de ofte komplekse bevægelser af Solen, Månen, planeterne og stjernerne, udviklede tidlige astronomer modeller, for at forklare hvad de så. De gamle grækere for eksempel, udtænkte geocentriske modeller af universet, hvor himmellegemerne blev indlejret i en himmelsk sfære, der kredsede om en stationær Jord. Den mest succesfulde var Ptolemæus, hvis model overlevede i næsten 1.500 år, indtil den endeligt blev væltet af Kopernikus i den tidlige Renæssance (se kapitel 3).
På trods af de apokryfe historier, du måske har lært i folkeskolen, opdagede Christopher Columbus ikke at jorden var rund. Længe før hans berømte (eller muligvis berygtede) rejse til den nye verden, vidste enhver der havde læst Aristoteles og andre græske filosoffer (hvilket Columbus også havde), at Jorden var en kugle. Langt sværere var det, at acceptere tanken om, at de ændringer der sker på himlen fra dag til dag og måned til måned, var resultatet af Jordens bevægelser, snarere end Solens og stjernernes bevægelser omkring Jorden. Den mest synlige blandt disse bevægelser, er Jordens rotation omkring sin egen akse, der er ansvarlig for meget af vores rytme i livet på Jorden – passagen mellem dag og nat.
Himmelkuglen er nyttig fiktion
En årsag til, at vores forfædre ikke troede Jorden roterede var, at de ikke kunne opfatte Jordens roterende bevægelse. Faktisk, som et resultat af Jordens rotation, bevæger Jordens overflade sig afsted med en ganske respektabel hastighed – 1.674 kilometer i timen (km/t) ved ækvator (som vi beregner ved at dividere omkredsen af Jorden, med perioden af dens rotation). Alligevel føler vi ikke bevægelsen mere, en vi ville ”føle” hastigheden af en bil med en perfekt glidende hastighed på en lige motorvej. Vi kan heller ikke fornemme retningen af Jordens rotation, selv om den klart bliver afsløret af Solens, Månens og stjernernes timelige bevægelse hen over himlen. Set fra over Jordens nordpol, roterer Jorden i retning mod uret (figur 2.2) og fuldfører en rotation på n 24-timers periode. Som den roterende jord, bærer os fra vest mod øst, ser objekter på himlen ud til at bevæge sig i den modsatte retning, fra øst mod vest. Set fra Jordens overflade, kaldes den vej som himmellegemerne tager hen over himlen, for deres ”tilsyneladende daglige bevægelse”.
For at hjælpe med at visualisere de tilsyneladende daglige bevægelser af Solen og stjernerne, er det undertiden nyttigt at tænke på himlen som om den var en kæmpe kugle med stjerner på dens overflade og Jorden i sit centrum (som vi tidligere har skrevet, var det hvad de fleste mennesker troede var sandt, fra oldtidens Grækenland til den tidlige Renæssance). Astronomer henviser til denne imaginære sfære, som himmelkuglen (figur 2.3a). Himmelkuglen, er et nyttigt begreb, fordi den er let at tegne og visualisere, men glem aldrig at den er imaginær! Hvert punkt på himmelkuglen, svarer reelt til en regning i rummet. Den retning som Jordens rotationsakse peger og det punkt om hvilket stjernerne ser ud til at rotere omkring som Jorden roterer, kaldes himlens nordpol. Retningen i rummet, der er i zenit med sydpolen og hvorom himlens stjerner synes at rotere omkring som Jorden roterer, kaldes himlens sydpol.
Vi opdeler himmelkuglen i en nordlig og en sydlig halvdel, halvvejs i mellem himlens nord- og sydpol, er en imaginær cirkel, der kaldes himlens ækvator. Ligesom med himlens nordpil er en projektion af Jordens nordpol, er himlens ækvator en projektion af Jorden ækvator ud i rummet. Og ligesom Jordens nordpol altid er 90º væk fra Jordens ækvator, er himlens nordpol altid 90º væk fra himlens ækvator. Hvis du peger den ene arm mod et punkt på himlens ækvator og den anden arm mod himlens nordpol, vil dine arme altid danne et ret vinkel i forhold til hinanden. Hvis du er på den sydlige halvkugle, gælder det samme: vinklen mellem himlens sydpol og himlens ækvator er også 90º.
Den vej, som Solen tager langs himmelkuglen, kaldes ekliptika. Denne imaginære cirkel skrånende 23,5º i forhold til himlens ækvator (se afsnit 2.3). For at se, hvordan begrebet himmelkuglen kan bruges, så lad og betragte Solen ved middagstid og ved midnat. Fra vores perspektiv på Jorden og som vist på himmelkuglen, ser Solen ud til at bevæge sig hen over himlen og nå sit højeste punkt ved middagstid. Mere præcist, definerer astronomer ægte ”lokal middag”, som det tidspunkt hvor Solen passerer meridianen på vores lokation. Meridianen, er en imaginær nord-syd, 360º storcirkel, der deler himmelkuglen i en østlig og en vestlig halvdel. Meridianen løber fra et punkt stik nord fra horisonten, gennem et punkt direkte over hovedet, kaldet zenit, til et punkt stik syd på horisonten og derefter fortsætter den ned under horisonten gennem Nadir, et punkt lige under og modsat zenit og herefter tilbage til sit udgangspunkt stik nord på horisonten (figur 2.3b). Ægte ”lokal midnat” opstår, når Solen igen krydser meridianen på sit laveste punkt under den nordlige horisont. Hvad der virkelig sker ved middagstid er, at vores placering på Jorden er roteret således, at vi vender så direkte mod Solen som den kan. En halv dag senere, ved midnat, vender vores lokation på Jorden længst væk fra Solen som den kan.
Vi vil fortsætte med at bruge himmelkuglemodellen i hele kapitlet, for at vise tilsyneladende bevægelser for Solen og stjernerne fra forskellige steder på Jorden.
Udsigten fra polerne
De tilsyneladende daglige bevægelser for stjernerne og Solen, som vores forfædre observerede, ville afhænge af hvor på overfladen af Jorden de tilfældigvis boede. De tilsyneladende daglige bevægelser af himmellegemerne i Nordeuropa for eksempel, er meget forskellige fra de tilsyneladende daglige bevægelser set fra en tropisk ø. For at forstå, hvordan vores placering påvirker vores opfattelse af tilsyneladende daglige bevægelser, så lad os kigge på de daglige bevægelser af stjernerne, set fra et punkt på Jorden hvor mennesket ikke satte foden før indtil begyndelsen af det 20. århundrede – Jordens nordpol (I videnskaben, starter vi ofte med at arbejde ud fra de ”nemme” eller ”begrænsede” eksempler – visning af stjernerne fra polerne for eksempel – og derefter bruge disse til at lede vores tanker, om hvad der sker i mere komplicerede situationer).
Forestil dig, at du står på Nordpolen og ser på himlen som vist i figur 2.4a (ignorér Solen for øjeblikket og antag at du altid kan se stjernerne på himlen). Du står der, hvor Jordens rotationsakse skærer dens overflade, der er meget det samme som at stå i centrum af en karrusel. Som Jorden roterer, vil punktet direkte over dig, se ud til at være fikseret, mens alt andet på himlen, ser ud til at dreje i retning mod uret omkring dette punkt (figur 2.4b). Hvis du har problemer med at visualiserer dette, så find en globus og som du drejer den, forestil dig at du står på globussens pol. Bemærk, at objekter der er tæt på polen, ser ud til at følge små cirkler, mens de største cirkler følges af objekter der er tættest på horisonten.
Udsigten fra Nordpolen er unik, fordi vi derfra altid ser den samme halvdel af himlen (figur 2.4c). Intet står op eller går ned, som Jorden roterer under dig. Selvfølgelig, uanset hvor du befinder dig på Jorden, kan du aldrig se mere en halvdelen af himlen på en gang. Den anden halvdel af himlen, er blokeret fra udsyn på Jorden. Grænsen mellem den del af himlen du kan se og den del af himlen du ikke kan se, kaldet horisonten. Fra de fleste steder på Jorden, ændrer den halvdel af himlen vi kan se over horisonten, sig hele tiden som Jorden roterer (Retningen i rummet hvor vores zenit peger lige nu, er forskellig fra hvad den var for 12 timer siden, eller endda for 12 sekunder siden). I modsætning hertil, peger Jordens nordpol altid i samme retning, time efter time, dag efter dag. Af denne grund, vil man hvis man ser ud mod horisonten, se at de synlige objekter følger cirkulære veje, som altid holder dem i samme afstand over horisonten.
Udsigten fra Jordens sydpol, er meget lig den samme, men der er to store forskelle. Den første forskel er, at Sydpolen (logisk nok) er på den modsatte side af Jorden end Nordpolen, så den halvdel af himlen du ser på Sydpolen, er netop den halvdel der altid er skjult for Nordpolen. Den anden forskel er, at i steder for at synes at bevæge sig mod uret rundt på himlen, bevæger stjernerne sig med uret rundt om himlens sydpol (for at demonstrere dette, kan du sætte dig i en kontorstol og dreje den rundt, fra højre mod venstre. Kigger du på loftet, bevæger alt sig mod uret, men kigger du ned på gulvet, bevæger alt sig med uret).
Væk fra polerne, er den del af himlen vi kan se, i konstant forandring
Lad os nu forestille os, hvad vi ser på himlen når vi forlader Nordpolen og rejser sydpå til lavere breddegrader. Som du måske allerede ved, er breddegrad et mål for, hvor langt mod nord eller syd vi er på Jorden. Forestil dig en linje fra centrum af jorden til din placering på Jordens overflade. Nu forestiller du dig en linje fra centrum af Jorden til det punkt på ækvator tættest på dig (se figur 2.5 for at få hjælp til at forestille dig disse linjer). Vinklen mellem disse to linjer, er din breddegrad. På Nordpolen for eksempel, danner disse to imaginære linjer en vinkel på 90º. Nordpolens breddegrad er således 90º nord for ækvator, hvor ækvator tjener som 0º mærket. Sydpolen er ved 90º syd for ækvator.
Vores breddegrad, bestemmer den del af himlen, som vi kan se gennem hele året. Når vi følger Jordens kurve sydover fra Nordpolen, tipper vores horisont og zenit bevæger sig væk fra himlens nordpol. Ved en breddegrad på 60º nord (som vist i figur 2.5b), er vores horisont tippet 60º væk fra den himmelske nordpol. Denne ligestilling mellem nordlig breddegrad og højden af himlens nordpol over den nordlige horisont, holder overalt. I figur 2.5d, har vi nået Jordens ækvator, med en breddegrad på 0º. Bemærk, at den himlens nordpol nu ligger ved den nordlige horisont. Samtidig, får vi vores første kig på den himlens sydpol, der ligger over for himlens nordpol ved den sydlige horisont. Fortsætter vi ind på den sydlige halvkugle, bliver himlens sydpol nu synlig over den sydlige horisont, mens himlens nordpol er skjult under den nordlige horisont. Ved en breddegrad på 45º S (figur 2.5e), ligger himlens sydpol 45º over den sydlige horisont. På Sydpolen (breddegrad 90º S – figur 2.5f), er himlens sydpol i zenit, 90º over horisonten.
Den måske mest sandsynlige måde, at cementere din forståelse af udsigten til himlen på forskellige breddegrader, er at tegne billeder som dem i figur 2.5. Hvis du kan tegne et billede som dette for enhver breddegrad – udfylde værdierne af vinklerne i tegningen og forestille dig hvordan himlen ser ud på den pågældende placering – så vil du være godt på vej til at udvikle en praktisk kendskab til udseendet af himlen. Denne viden, vil senere vise sig nyttig, når vi skal se på en række fænomener, som for eksempel årstidernes skiften. Når du øver dig på at tegne dine skitser, så pas på med ikke at begå de almindelige fejl, der er illustreret i figur 2.6. Himlens nordpol er ikke er placering i rummet, der svæver over Jordens nordpol. Det er i stedet en retning i rummet – retningen er parallel med Jordens rotationsakse.
Nu hvor vi har vist, hvordan horisonten er orienteret på forskellige breddegrader, lad os så se på, hvordan stjernernes tilsyneladende bevægelser omkring himlens poler, afviger fra breddegrad til breddegrad. Figur 2.7a, viser vores opfattelse, hvis vi er på breddegraden 30º nord. Som Jorden roterer, er den del af himlen vi kan se, i konstant forandring. Selvfølgelig ser det fra dette perspektiv ud som om at det er horisonten der forbliver fikseret, mens stjernerne bevæger sig forbi oven over. Hvis vi fokuserer vores opmærksomhed på himlens nordpol, kan vi fra dette perspektiv, stadig se meget af det samme, som vi kunne fra Jordens nordpol. Himlens nordpol forbliver fikseret på himlen og alle stjernerne synes at bevæge sig mod uret rundt om himlens nordpol natten igennem. Men fordi himlens nordpol, ikke længere er direkte over vores hoved, der de tilsyneladende cirkulærer veje stjernerne nu tager, tippet i forhold til horisonten (mere korrekt, er det vores horisont der er tippet i forhold til de tilsyneladende cirkulære veje stjernerne tager).
Stjerner placeret tæt nok på himlens nordpol, er over horisonten 24 timer i døgnet (selv om vi ikke kan se dem i dagtimerne), som de færdiggør deres tilsyneladende vej omkring polen (se figur 2.7a og 2.8). Dette område af himlen, der altid er synlig, betegnes som værende cirkumpolar, der betyder ”rundt om polen”. Der er også en del af himlen der aldrig kan ses fra denne breddegrad. Dette er den del af himlen, nær himlens sydpol, som aldrig hæver sig over din horisont. Mellem denne aldrig synlige region og den altid synlige cirkumpolare region, ligger den del af himlen der kan ses dele af, men ikke alle delene kan ses hver dag. Stjernerne i denne mellemliggende region, synes at hæve over og sænke sig under Jordens skiftende horisont som Jorden drejer. Det eneste sted på Jorden, hvor man kan se hele himlen i løbet at 24 timer, er på ækvator. Fra ækvator (figur 2.7b) ligger himlens nord- og sydpol ved henholdsvis den nordlige og sydlige horisont og hele himlen passerer forbi, hver eneste dag.
Kig på placeringen af himlens ækvator i figur 2.9. De punkter, hvor himlens ækvator skærer horisonten, er altid stik øst og stik vest (den eneste undtagelse er ved polerne, hvor himlens ækvator er sammenfaldende med horisonten). Et objekt på himlens ækvator, står op stik øst og går ned stik vest. Objekter, der er nord for himlens ækvator, står op nord for øst og går ned nord for vest. Objekter, der er syd for himlens ækvator, står op syd for øst og går ned syd for vest.
Figur 2.9 viser også, at uanset hvor du er på Jorden (igen med undtagelse af polerne), er halvdelen af himlens ækvator, altid synlig over horisonten og som følge af det, kan du se et hvert objekt der ligger i retning af himlens ækvator, halvdelen af tiden. Et objekt der er i retning af himlens ækvator, står op stik øst, er over horisonten i præcis 12 timer og går herefter ned stik vest. Dette er ikke tilfældes for objekter, der ikke er på himlens ækvator. Et kig på figur 2.9b viser, at fra den nordlige halvkugle, kan du se mere end halvdelen af den tilsyneladende cirkulære bane af enhver stjerne, der ligger nord for himlens ækvator. Hvis du kan se mere end halvdelen af stjernens tilsyneladende bane, så er stjernen over horisonten, i mere end halvdelen af tiden.
Som set på den nordlige halvkugle, forbliver stjerner nord for himlens ækvator, over horisonten i mere end 12 timer hver dag. Jo længere nord stjernen er, jo længere forbliver den oppe. De cirkumpolare stjerner, nær himlens nordpol som vi allerede har nævnt, er ekstreme eksempler på dette fænomen; de forbliver oppe, 24 timer i døgnet. I modsætning hertil, er objekter syd for himlens ækvator, på himlen i mindre end 12 timer om dagen og jo længere syd en stjerne er, jo kortere tid er stjernen synlig. Stjerner, der er placeret tæt på himlens sydpol, stiger aldrig op over vores horisont.
Hvis du var en observatør på den sydlige halvkugle (se figur 2.9d), ville det omvendte af den foregående beskrivelse være sandt: Objekter på himlens ækvator ville stadig kunne ses 12 timer om dagen, men nu ville objekter syd for himlens ækvator være synlige i mere end 12 timer om dagen og objekter nord for himlens ækvator i mindre end 12 timer om dagen.
Figur 2.9 – Himmelkuglen, er her vist som den ses af observatører på fire forskellige placeringer. Alle andre steder end ved polerne, står stjernerne op og går ned, på den del af himmelkuglen, vi ser forandres i løbet af dagen.I mange århundreder, brugte rejsende, herunder søfolk på havet, stjernerne til navigation. Måske er den enkleste af navigatørens teknikker, at bruge ligestillingen mellem breddegraden og højden af himlens nord- eller sydpol. Vi kan finde himlens nord- eller sydpol, ved at genkende de stjerner der er omkring dem. På den nordlige halvkugle, befinder en moderat klar stjerne, sig tilfældigvis 0,7º nord for himlens nordpol. Denne stjerne kaldes Polaris, eller mere almindeligt ”Nordstjernen”. Hvis du kan finde Polaris på himlen og måle vinklen mellem himlens nordpol og horisonten, så kender du din breddegrad. Hvis du for eksempel er i Phoenix i Arizona, USA (33,5º nordlig breddegrad), vil du finde himlens nordpol 33,5º over din nordlige horisont. På den anden side, hvis du derimod befinder dig i Fairbanks i Alaska (64,6º nordlig breddegrad), vil himlens nordpol sidde meget højere over horisonten, nemlig 64,6º over den nordlige horisont. Placeringen af himlens nordpol på himlen, kan bruges til at måle størrelsen af Jorden (se matematiske værktøjer 2.1).