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北极星

北极星

北极星，又名北辰，是最靠近北天极的一颗恒星。北极星是小熊座北环极星座中的一颗恒星。现在的北极星为小熊座α星（α Ursae Minoris），由于岁差的关系，不同时期的北极星是不同的。它的视星等在 1.98 左右波动，是小熊星座中最亮的恒星，在夜晚肉眼很容易看到。这颗恒星在北天的稳定位置使其在导航方面非常有用。

中原地区古人在观天象的过程中，已经辨别出北极星，并将其视作众星的中心。因为地球随着自转，极轴的位置会发生微小变动，因此北极星会根据北极点的位置进行调整。中国观测史中，从公元前2800年到现在，先后有，右枢（天龙座星）、北极二（别名紫微星、帝星，即小熊座星）和勾陈一（小熊座星）成为北极星。据记载，四大文明古国天文学家在4700至4100年前也发现了一颗北极星，其在不同语言中有很多名字，例如，古埃及天文学家在4700至4100年前也发现了北极星，在古埃及历代法老墓的壁画中用鳄鱼骑河马属的象征表示；在印度古天文学里，用梵语dhruva tāra（意为“恒星”）命名他们发现的北极星。虽然在肉眼看来北极星是一个单光点，但它却是一个由三颗恒星组成的系统，主星是一颗黄色超巨星，被命名为北极星 Aa，与一颗较小的伴星北极星 Ab 一起运行在轨道上；这对伴星与北极星 B 一起运行在一个更宽的轨道上。

在文化方面，北极星、北斗星所处的拱极一带被当成星国的中心，北极星则成了至高无上的尊星，犹如人间的帝王。刘彻时，曾流行一种北极神信仰。除此之外，北极星在一些诗歌和历史剧中也常被用作隐喻。例如，在希腊语中，北极星的名称是Cynosūra，意为“坚定的明星”，在英文和古挪威语中，还有“引导之星”的意思。这些种种文化迹象，都表明了北极星在世界各地人们心中的崇高象征地位。

定义

北极星，又名北辰，是最靠近北天极的一颗恒星。北极星位于地球地轴的北部延长线上，在北斗七星中的天璇星与天枢连线的五倍延长线上。中国传统的天官体系中的观象授时，便是通过观察北极星，以及围绕北极星作周日或周年旋转的北斗七星，来建立时间系统。由于地球的自转轴会发生晃动，经年累月后会发生偏移，因此每过千年以上的时间，就需要更换北极星。

发现与命名

发现

中原地区古代先民在观天象的过程中，发现天空中有个点是不动的，天空中的星星都在围绕着这个点旋转，于是把这个点称作北极，将离北极点很近的星星叫北极星。北极星可以帮古人在观星时更容易辨别出北极，在肉眼观星的时代，北极星距离北极的距离大概在1°左右。在中国古代，做过北极星的不止一颗星，有左枢、右枢、帝星等。北极星之所以会更换，是因为地球在自转的时候，还会有微小的晃动，使得地球极轴指向的北极角度发生变动，经过上千年的变化后，北极星就需要根据北极点的位置进行调整。在公元前2800年左右，右枢（天龙座星）为北极星；到了公元1100年前后，北极二（别名紫微星、帝星，即小熊座星）为北极星；从公元2100年左右开始，勾陈一（小熊座星）为北极星。等到勾陈一慢慢远离北极之后，我们就需要重新更换一颗星来作为北极星了。到了公元7500年左右，天钩五（仙王座星）将成为北极星；到了公元13600年左右时，织女一将成为北极星。

根据朱利奥·马格利 (Giulio Magli) 的著作《古埃及的建筑、天文学和神圣景观》，古王国时期的古埃及天文学家在4700至4100年前发现了一颗北极星，公元前85年至165年的天文学家克劳迪斯·托勒密 ( Claudius Ptolemy)首先绘制了北极星。

命名

在中国古代有很多对北极星的记载，北极星因为靠近天球正北的极点上，所以叫做北极或北辰。在希腊语中，北极星的名称是Cynosūra，源自“κυνόσουρα ”意思是狗的尾巴。在英语中，它被称为“pole star”或“north star”，意思是“坚定的明星”。除此之外，它一个古老的的英文名称是“lodestar”，意为“引导之星”，与古挪威语leiðarstjarna（中高地德语leitsterne）同源。英文中“Polaris”这个名称的使用可以追溯到 17 世纪。它是拉丁语stella Polaris “北极星”的简称。北极星的另一个拉丁名字是stella maris “海星纲”，从很早开始，它也被用作圣母玛利亚的头衔，在赞美诗Ave Maris Stella（八世纪）中广为流传。在印度传统天文学中，它的梵语名称是dhruva tāra，意为“恒星”。它在中世纪伊斯兰教天文学中的名字有多种说法，如Mismar（“针、钉”）、al-kutb al-shamaliyy（“北轴/主轴”）和al-kaukab al-shamaliyy（ “北极星”）。16 世纪西方资料中报道的名称阿尔鲁卡巴或鲁卡巴也是该星座的名称。莎士比亚的十四行诗116是北极星作为指导原则的象征意义的一个例子。

古天文学

北极璇玑结构

中国古天文算法著作《周髀算经》中，记载了通过圭表原理观测影极游，以勾股术推测日月行度，用来确定一年的日期和季节变化的方法。其中包含了算学、历法、天文测量和宇宙等多方面的内容。其中，描述宇宙结构的内容有：“极（指北天极）下者，其地高人所居六万里，滂沲四聩而下，天之中央亦高四旁六万里。天文现象盖笠,地法覆盘。天离地八万里，冬至之日,虽在外衡，常出极下地上二万里。”根据这个描述，《周髀算经》中反映的宇宙结构应该是双重球冠模型。在北天极之下的是地的中心，那里地势最高，四面都向下倾斜。

北极璇玑是《周算法》中，指的是天中央北极星作拱极运动的范围。北极枢指的是以北极星作拱极运动所画圆圈的圆心，也就是北极点。计算北极璇玑四周的方法是：“欲知北极枢、璇玑四极，常以夏至夜半时北极南游所及，冬至夜半时北游所及，冬至日加酉之时西游所及,日加卯之时东游所及，此北枢璇玑四游。”按照这种方法，需要在某日的夜半、卯时、日中、酉时四个时刻作相应的标记，然后根据算法进行计算。

北辰信仰

北极星因为最靠近天空中央的北极点，因此很受古代统治者的重视。秦汉时代，北极星、北斗星所处的拱极一带被当成星国的中心。司马迁在《史记·天官书》中把这一代叫做“中宫”，其他则分东、西、南、北四宫。后来把全天的星官划分成“三垣”、“二十八宿”。北极星为中心的一带叫做“紫薇垣”，象征着地上的皇宫。北极星则成了至高无上的尊星，犹如人间的帝王。《公羊传·昭公十七年》记载：大火（心宿二）为大辰，伐（参宿）为大辰，北辰为大辰。何休注：“北辰、北极，天之中也。长居其所，迷惑不知东西者，须视北辰以别。”《抱朴子·嘉》也说：“夫群迷于云梦者，必须指南以知道；并于沧海者必仰以得返。”这里北辰、辰极就是北极星。还如《淮南子·齐俗》：夫乘舟而惑者，不知东西，见斗极而寤矣。这里的斗极指的是北斗和北极星。刘彻时，曾流行一种太一信仰。太一，又叫太乙、太皇，一是指道，二是指北极神信仰。太一位于中央，因此被汉武帝尊奉为国神。《太平经》中也表达了太一位于中央的观念：“乃上从天太一也，朝于中极，受符而行，周流洞达六方八远，无穷时也。”

古埃及文化

大约公元前3100年，在尼罗河扎根的古埃及文明，形成了自己对天文现象和北极星的理解。比如，位于吉萨的三座大型埃及金字塔，它们的方形基座精准地排列在正南正北和正东正西的方向上，遗址上的狮身人面像也正对着东方。对于四大文明古国人如何精准确定这些建筑的朝向问题，其中的一个答案就是——靠北极星来确定方位，在夜晚所有的星星都会围绕着看似不动的北极星旋转。这些金字塔的入口在北侧面，与地面呈30°夹角，与北极星相对，古埃及的神观们会从这个隧道里眺望北极星。在古埃及古埃及历代法老陵墓的壁画里，随处可见到一种对永恒“天路”的启示图案：一只鳄鱼骑在河马背上。后世研究学者认为，这只鳄鱼象征着北极星。

其他文化

在古印度典籍《瑜伽经》中，将北极星比喻作人体的中脉，并提到了相应的观想方法：“专念于北极星，便刻获得星系运动的知识。”北极星在文学作品中，象征着坚定的精神，例如，在莎士比亚的《尤利乌斯·凯撒》中，凯撒的最后一段长台词中有一句:“我像北极星一样坚定。”

现代天文特征

从公元2100年左右到未来的公元7500年前后，勾陈一（小熊座星）是北极星，下面是这颗北极星的现代天文特征。

物理特性

北极星系统及其恒星是在大约 7000 万年前由气体和尘埃组成的星云形成的。与所有恒星一样，北极星是由围绕核心的层状气体组成，核聚变发生在核心处。当北极星的重力将最外层的气体向内拉时，北极星在其表面下方形成了一层不透明的层，该层不易让光线通过，从而使其发光变暗。

北极星光谱类型为F7:Ib-IIv SB，它的颜色和类型为黄色至白色的发光巨星。其有效温度为6900开尔文，比太阳的有效温度5777开尔文还要热。光度是恒星发出的能量相对于太阳发出的能量。太阳的值为1。北极星光度值为 2634.12。北极星半径是太阳的37.5倍。太阳的半径为 695800km，因此北极星的半径估计为 26092500km。北极星的质量是太阳质量的 5.4 倍。其具体参数如下：

位置

北极星在夜空中的位置由赤经和赤纬决定。这些相当于地球上的经度和纬度。赤经以时间（hh:mm:ss）表示，是恒星沿地球天赤道的距离。如果赤经为正，则它向东，反之亦然。赤纬是指物体相对于天赤道的偏北或偏南距离，以度数表示。如果值为正，则位于天赤道以北。对于北极星，位置为02h31M4708s 和 +89° 15` 50.9 。

根据小熊座的位置，北极星可以位于北半球的天空。天半球相当于地球的半球。北极星位于黄道以北。黄道是地球绕太阳运行的路径。以地球为参照，因此北极星有天球半球和黄道半球，并且对于恒星来说它们可能是不同的。

变化性

北极星Aa是超巨星的主要组成部分，是一个低振幅的I型经典造父变星，尽管由于其高银河纬度，它曾经被认为是II型造父变星。造父变星是确定距离的重要标准烛光，因此北极星作为最近的此类恒星受到了广泛的研究。自1852 年以来，人们就一直怀疑北极星的变化。这种变异被赫茨普龙于1911 年证实。

北极星在脉动期间的亮度范围为 1.86 - 2.13，但自发现以来，其幅度已发生变化。其变化周期接近4天。1963 年之前，振幅超过0.1星等，并且正在逐渐减小。除了1963年至1965年的中断外，它每年稳定增加约4.5秒。1966年以后，它迅速下降，直至小于0.05星等；从那时起，它就在这个范围附近不稳定地变化。

北极星周期增加的快速速率与第一次穿越造父变星不稳定带的红演化是一致的，而1963-1966年的间断和此后脉动幅度的突然减小表明，恒星可能已经离开了不稳定带，等待第一次穿过造父变星不稳定带。使其靠近造父变星处于较高交叉模式的不稳定带中心。。1980年后振幅的下降和北极星的红演化表明源正在离开带状体。

北极星的温度在其脉动期间只有很小的变化，但这种变化的程度是可变的且不可预测的。温度变化不稳定，每个周期温度变化幅度从小于50K到至少170K，可能与北极星Ab的轨道有关。

2011年《科学》杂志报道的研究表明，如今北极星比克罗狄斯·托勒密观测时亮 2.5 倍，从第三级变为目前的第二级。天文学家爱德华·吉南 (Edward Guinan) 认为这是一个显着的变化率，并记录在案地说：“如果它们是真实的，这些变化将比当前恒星演化理论预测的变化大100倍。

距地距离

许多论文计算出地球到北极星的距离约为434光年（133 秒差距），与依巴谷天体测量卫星的视差测量结果一致。较早的距离估计通常略小，最近基于高分辨率光谱分析的研究表明，距离可能近100光年（323 ly/99 pc）。北极星是距离地球最近的造父变星，因此它的物理参数对于整个天文距离尺度至关重要。它也是唯一具有动态测量质量的。

依帕谷航天器利用恒星视差在1989年和1993年进行了测量，精度达到0.97毫角秒（970微角秒），并且获得了远至1000pc远的恒星距离的精确测量。尽管依巴谷天体测量有诸多优点，但其北极星数据的不确定性已被指出，一些研究质疑依巴谷在测量北极星等双星造父变星时的准确性。专门针对北极星的依帕谷缩减已经被重新审查和重申，但对于距离仍然没有达成广泛的一致。

高精度视差测量的下一个重要步骤来自盖亚，这是一项于2013年启动的空间天体测量任务，旨在测量25微角秒 (μas) 以内的恒星视差。盖亚将无法对像北极星这样的明亮恒星进行测量，但它可能有助于测量假定的其他恒星以及一般的银河距离尺度。射电望远镜也被用来在远距离进行精确的视差测量，但这需要一个与恒星密切相关的紧凑射电源，这通常只适用于在其星周材料中具有脉泽的冷超巨星。

观测与探测

由于地球的自转周期，北极点在星空中也在悄悄移动，大约2600年为一个轮回。顺着北天极移动的方向，可以发现不同时代的北极星。比如，公元前19600至18600年间，天钩六为北极星，之后造父五、天钩五、左枢、右枢、少尉等，都当过北极星。根据这条运动轨迹，还可以推算出未来的北极星，比如，到了公元6300年，天钩六会再次成为北极星。

业余观测

首先将望远镜支架大致对准北天极的方向。这可以通过在黄昏时移动三脚架和安装座并将极轴瞄准大致北方方向来实现。北极星在天空中很容易被发现，因为它比附近区域的任何周围恒星都亮得多。同时可以使用免费的天文馆软件（例如Stellarium）帮助确认您正在观察的星座和星星。可以通过尼康p900这样的相机复制，多次曝光来制作星迹照片，甚至可以对延时影片进行后期处理。

在寻找北极星的时候，可以这样做：面对北面天空，我们可以看到大熊座和仙后座。这两个星座都很容易辨认。大熊座有7颗主要亮星：天枢、天璇星、天玑、天权、玉衡、开阳以及摇光。这七颗亮星组成勺子的样子，有人称其为"勺子星",一般叫做北斗七星；仙后座的5颗主要亮星组成拼音字母“W”的样子。这两个星座，可以帮助我们找到北极星。

如果要利用大熊座找到北极星，需要先找到北斗七星斗勺最外边的两颗星——天枢和天璇，用假想的线把它们连起来，并由天璇朝着天枢的方向延长约5倍远的距离，就能碰到一颗亮星，这就是北极星。那部分天空，只有北极星这么一颗比较亮的星，所以很容易找到。利用仙后座找到北极星：仙后座的5颗主要亮星中，有3颗比较亮，顺着这3颗的中间一颗和它前面的一颗小星，向前延长3倍多的距离，便是北极星的位置。

对于北半球中纬度地区的人来说，到了春天，天黑后不久，北斗七星在东北方向，仙后座在西北方向；5月—6月，天黑后不久，北斗七星出现在头顶附近，仙后座则在正北地平线附近。在其他月份，当仙后座在东北方向和头顶附近时，就轮到北斗七星在西北和正北地平线附近了。在中国黄河流域以北的地区，一年四季都可以看到这两个星座同时出现在天空中；在长江流域以南的地区，有时只能看到其中的一个，一个星座在头顶附近时，另外一个正在北方地平线以下，所以就无法看见。

专业观测

使用极地探测器定位北极星，并使用便星象仪通过赤道山的分划线观察，可以得到北极星在一天中非常靠近天极的运动的线索。标线的中心有一个十字，代表大圆中心的天体旋转轴。北极星的位置将位于大圆周边的小圆内。使用标线来极轴对齐瞄准镜，安装座将在赤纬轴和赤经轴上有设置圆圈，可以通过移动两个轴以匹配来在这些设置圆圈上设置日期和时间，通过标线查看并调整位置让北极星进入小圆圈。

重大事件

应用与价值

北极星几乎一动不动，因为它直接位于地球自转轴的“上方”。正因为如此，它是一个极好的固定点，可以从中进行天体导航和天体测量的测量。航海者在海上航行时，经常根据北极星来定方向，或者根据北极星的高度来确定自己的船位。希腊航海家皮西亚斯 (Pytheas ) 描述公元前320年，天极上没有恒星。然而，作为靠近天极的较亮恒星之一，北极星至少从古代晚期就被用于导航。并被斯托巴乌斯（5 世纪）描述为 ἀεί φανής (埃伊帕内斯 )“始终可见” 。这颗星已用于导航多年，未来仍将继续发挥作用。由于春分点的进动，北极星将慢慢远离天极，另一颗恒星将取代它的位置。

北极星也可以作为有用的导航辅助工具来确定北方地平线的纬度。据说地平线到北极星的角度与你所在的纬度相同。航海家使用星盘等仪器来计算星星相对于地平线和经线的位置。纳撒尼尔·鲍迪奇 (Nathaniel Bowditch) 1802 年出版的《美国实用航海家》一书中提到了它，并将其列为导航明星之一。北极星距自转极点0.75°（月盘的1.4倍），因此围绕极点绕直径1.5°的小圈旋转。每个恒星日中只有两次北极星能够准确确定真正的北方位角；其余时间，它会稍微向东或向西移动，必须使用表格或粗略的经验法则来校正方位。最佳近似值是使用大熊座“北斗七星”星座的前缘作为参考点制作的。前缘（由天枢和磁力星定义）以钟面为参考，北极星的真实方位角针对不同的纬度计算出来。