التوقيت الفلكي

التوقيت النجمي (يُنطق / saɪˈdɪəriəl , sə-/ ) هو نظام لقياس الوقت يستخدمه علماء الفلك بشكل خاص. وباستخدام التوقيت النجمي ونظام الإحداثيات السماوية ، يسهل تحديد مواقع الأجرام السماوية في سماء الليل . التوقيت النجمي هو " مقياس زمني يعتمد على معدل دوران الأرض بالنسبة للنجوم الثابتة " . ^{[ 1 ]} اليوم النجمي (المعروف أيضًا بفترة الدوران النجمي ) يُمثل الوقت اللازم لدوران الأرض حول محورها بالنسبة للنجوم. ^{[ 2 ]}

إذا رُصد نجم من نفس الموقع في السماء، فسيُرى في نفس الموقع في ليلة أخرى وفي نفس الوقت من النهار (أو الليل)، إذا كان النهار يُعرَّف بأنه نهار فلكي. وهذا يُشبه كيفية استخدام التوقيت الشمسي ( التوقيت الشمسي ) لتحديد موقع الشمس . فكما يبدو أن الشمس والقمر يشرقان من الشرق ويغربان في الغرب بسبب دوران الأرض، كذلك النجوم. ويستفيد كل من التوقيت الشمسي والتوقيت الفلكي من انتظام دوران الأرض حول محورها القطبي: يُحسب التوقيت الشمسي وفقًا لموقع الشمس في السماء، بينما يعتمد التوقيت الفلكي تقريبًا على موقع النجوم الثابتة على الكرة السماوية النظرية.

بتعبير أدق، يُعرَّف التوقيت النجمي بأنه الزاوية المقاسة على طول خط الاستواء السماوي ، من خط زوال الراصد إلى الدائرة العظمى التي تمر باعتدال مارس (الاعتدال الربيعي في نصف الكرة الشمالي) والقطبين السماويين ، ويُعبَّر عنه عادةً بالساعات والدقائق والثواني. في سياق التوقيت النجمي، يُشير مصطلح "اعتدال مارس" أو "الاعتدال" أو "نقطة الحمل الأولى" حاليًا إلى الاتجاه من مركز الأرض على طول الخط المتكون من تقاطع خط استواء الأرض مع دائرة البروج ، باتجاه كوكبة الحوت؛ بينما كان في العصور القديمة باتجاه كوكبة الحمل. ^{[ 3 ]} أما التوقيت العادي على الساعة التقليدية (باستخدام التوقيت الشمسي المتوسط ) فيقيس دورة أطول قليلًا، متأثرًا ليس فقط بدوران الأرض حول محورها، بل أيضًا بمدارها حول الشمس.

يتقدم الاعتدال الربيعي ببطء غربًا بالنسبة للنجوم الثابتة، مُكملاً دورة كاملة في حوالي 25800 عام، لذا فإن اليوم النجمي (المُشتق من الكلمة اللاتينية sidus التي تعني "نجم")، والذي يُطلق عليه خطأً اسم "اليوم النجمي"  ، أقصر بمقدار 0.0084 ثانية من اليوم النجمي ، وهو الفترة الفعلية لدوران الأرض حول محورها بالنسبة للنجوم الثابتة. ^{[ 4 ]} تُقاس الفترة النجمية الأطول قليلاً بزاوية دوران الأرض (ERA)، والتي كانت تُعرف سابقًا بالزاوية النجمية. ^{[ 5 ]} زيادة قدرها 360 درجة في زاوية دوران الأرض تُعادل دورة كاملة للأرض.

يبلغ طول اليوم النجمي على الأرض حوالي 86164.0905 ثانية (23 ساعة و56 دقيقة و4.0905  ثانية أو 23.9344696 ساعة). (تُعرَّف الثواني وفقًا للنظام الدولي للوحدات، ويجب عدم الخلط بينها وبين ثواني التقويم الفلكي ). في كل يوم، يكون التوقيت النجمي في أي مكان وزمان أقصر بحوالي أربع دقائق من التوقيت المدني المحلي (المستند إلى التوقيت الشمسي)، وبالتالي فإن عدد "الأيام" النجمية في السنة الكاملة يزيد بيوم واحد عن عدد الأيام الشمسية.

يُقاس التوقيت الشمسي بالحركة اليومية الظاهرية للشمس. ويُعرف وقت الظهيرة المحلي في التوقيت الشمسي الظاهري بأنه اللحظة التي تكون فيها الشمس في اتجاه الجنوب أو الشمال تمامًا (بحسب خط عرض الراصد والفصل). أما اليوم الشمسي المتوسط ​​(ما نقيسه عادةً بـ"يوم") فهو متوسط ​​الفترة الزمنية بين أوقات الظهيرة الشمسية المحلية ("متوسط" لأن هذا يختلف قليلاً على مدار السنة).

تدور الأرض دورة كاملة حول محورها كل يوم فلكي، وخلال هذه الدورة تقطع مسافة قصيرة (حوالي درجة واحدة) على طول مدارها حول الشمس. لذا، بعد انقضاء يوم فلكي، لا تزال الأرض بحاجة إلى الدوران قليلاً قبل أن تصل الشمس إلى وقت الظهيرة المحلي وفقًا للتوقيت الشمسي. وبالتالي، فإن اليوم الشمسي المتوسط ​​أطول بحوالي 4 دقائق من اليوم الفلكي.

النجوم بعيدة جدًا لدرجة أن حركة الأرض على طول مدارها لا تُحدث فرقًا يُذكر في اتجاهها الظاهري (باستثناء أقرب النجوم إذا تم قياسها بدقة متناهية؛ انظر اختلاف المنظر )، وبالتالي تعود إلى أعلى نقطة لها في نفس الوقت كل يوم فلكي.

ثمة طريقة أخرى لفهم هذا الاختلاف، وهي ملاحظة أنه بالنسبة للنجوم، كما يُرى من الأرض، يبدو موقع الشمس في نفس الوقت كل يوم وكأنه يدور حول الأرض مرة واحدة في السنة. يبلغ عدد الأيام الشمسية في السنة حوالي 36.524 يومًا، بينما يبلغ عدد الأيام النجمية 36.624 يومًا. لذا، يقل عدد الأيام الشمسية في السنة بيوم واحد عن عدد الأيام النجمية، وهو ما يُشابه ملاحظة مفارقة دوران العملة . ^{[ 6 ]}

لا يقتصر دوران الأرض على مجرد دوران بسيط حول محور يبقى موازياً له دائماً. بل يدور محور دوران الأرض نفسه حول محور ثانٍ، متعامد مع مستوى مدارها، ويستغرق حوالي 25800  سنة لإكمال دورة كاملة. تُعرف هذه الظاهرة بظاهرة ترنح الاعتدالين . وبسبب هذا الترنح، تبدو حركة النجوم حول الأرض أكثر تعقيداً من مجرد دوران ثابت وبسيط.

لهذا السبب، ولتبسيط وصف اتجاه الأرض في علم الفلك والجيوديسيا ، كان من المعتاد رسم مواقع النجوم في السماء وفقًا للمطلع المستقيم والميل ، وهما يعتمدان على إطار مرجعي يتبع ترنح الأرض، مع تتبع دوران الأرض، عبر الزمن النجمي، بالنسبة لهذا الإطار أيضًا. (استُبدل الإطار المرجعي التقليدي، لأغراض فهارس النجوم، في عام 1998 بالإطار المرجعي السماوي الدولي ، وهو ثابت بالنسبة لمصادر الراديو خارج المجرة. ونظرًا للمسافات الشاسعة، لا تمتلك هذه المصادر حركة ذاتية ملحوظة . ^{[ 7 ]} ) في هذا الإطار المرجعي، يكون دوران الأرض شبه ثابت، لكن النجوم تبدو وكأنها تدور ببطء بفترة تبلغ حوالي 25800 سنة. وفي هذا الإطار المرجعي أيضًا، تمثل السنة المدارية (أو السنة الشمسية)، وهي السنة المرتبطة بفصول الأرض، دورة واحدة للأرض حول الشمس. التعريف الدقيق لليوم النجمي هو الوقت المستغرق لدوران الأرض مرة واحدة في هذا الإطار المرجعي المتبادر.

في الماضي، كان يُقاس الوقت برصد النجوم باستخدام أدوات مثل أنابيب سمتية فوتوغرافية وأسطرلابات دانجون ، وكان يُحدد وقت مرور النجوم عبر خطوط محددة باستخدام ساعة المرصد. ثم، باستخدام المطلع المستقيم للنجوم من فهرس النجوم، يُحسب الوقت الذي كان ينبغي أن يمر فيه النجم عبر خط زوال المرصد، ويُجرى تصحيح للوقت الذي تسجله ساعة المرصد. وقد حُدد الوقت النجمي بحيث يعبر الاعتدال الربيعي في مارس خط زوال المرصد عند الساعة صفر بالتوقيت النجمي المحلي. ^{[ 8 ]}

ابتداءً من سبعينيات القرن العشرين، تفوقت أساليب علم الفلك الراديوي ، مثل قياس التداخل ذي الخط الأساسي الطويل جدًا (VLBI) وتوقيت النجوم النابضة، على الأدوات البصرية في مجال القياسات الفلكية الأكثر دقة . وقد أدى ذلك إلى تحديد التوقيت العالمي المنسق (UT1 ) (متوسط ​​التوقيت الشمسي عند خط طول 0°) باستخدام VLBI، وهو مقياس جديد لزاوية دوران الأرض، وتعريفات جديدة للتوقيت النجمي. دخلت هذه التغييرات حيز التنفيذ في 1 يناير 2003. ^{[ 9 ]}

الأصناف المتوسطة والظاهرية

على الرغم من أن الهدف من ERA هو استبدال الوقت النجمي، إلا أن هناك حاجة للحفاظ على تعريفات الوقت النجمي أثناء الانتقال، وعند العمل مع البيانات والوثائق القديمة.

على غرار التوقيت الشمسي المتوسط، لكل موقع على الأرض توقيته النجمي المحلي الخاص به، والذي يعتمد على خط طوله. ولأنه من غير العملي نشر جداول لكل خط طول، تستخدم الجداول الفلكية توقيت غرينتش النجمي، وهو التوقيت النجمي على خط الزوال المرجعي IERS ، والذي يُعرف أيضًا بخط غرينتش أو خط الزوال الرئيسي . يوجد نوعان من التوقيت النجمي: التوقيت النجمي المتوسط ، إذا تم استخدام خط الاستواء والاعتدال في ذلك التاريخ، والتوقيت النجمي الظاهري ، إذا تم استخدام خط الاستواء والاعتدال الظاهري في ذلك التاريخ. يتجاهل النوع الأول تأثير التذبذب الفلكي، بينما يأخذه النوع الثاني في الحسبان. عند اختيار الموقع مع اختيار تضمين التذبذب الفلكي أو عدم تضمينه، ينتج الاختصارات التالية: GMST، LMST، GAST، وLAST.

العلاقات التالية صحيحة: ^{[ 15 ]}

التوقيت النجمي المتوسط ​​المحلي = توقيت غرينتش + خط الطول الشرقي

التوقيت النجمي الظاهري المحلي = التوقيت النجمي الظاهري العالمي + خط الطول الشرقي

التعريفات الجديدة لمتوسط ​​غرينتش والتوقيت النجمي الظاهري (منذ عام 2003، انظر أعلاه) هي: $${\displaystyle \mathrm {GMST} (t_{U},t)=\theta (t_{U})-E_{\mathrm {PREC} }(t)}$$$${\displaystyle \mathrm {GAST} (t_{U},t)=\theta (t_{U})-E_{0}(t)}$$بحيث تكون θ هي زاوية دوران الأرض، وE _PREC هي التبادر المتراكم، و E ₀ هي معادلة الأصل، والتي تمثل التبادر والترنح المتراكمين. ^{[ 16 ]} وقد وُصفت عملية حساب التبادر والترنح في الفصل السادس من كتاب أوربان وسيدلمان.

على سبيل المثال، ذكر التقويم الفلكي لعام 2017 أن إحداثيات ERA في الساعة 0:00 من يوم 1 يناير 2017 بالتوقيت العالمي المنسق (UT1) كانت 100° 37′ 12.4365″ (6 ساعات و42 دقيقة و28.8291 ثانية). أما التوقيت الصيفي العالمي (GAST) فكان 6 ساعات و43 دقيقة و20.7109 ثانية. وبالنسبة للتوقيت الصيفي العالمي (GMST)، كانت الساعة والدقيقة متطابقتين، لكن الثانية كانت 21.1060. ^{[ 14 ]}

العلاقة بين التوقيت الشمسي والفترات الزمنية النجمية

إذا تم قياس فترة زمنية معينة ( I) بالتوقيت الشمسي المتوسط ​​(UT1) والتوقيت النجمي، فإن القيمة العددية ستكون أكبر في التوقيت النجمي منها في التوقيت الشمسي المتوسط ​​(UT1)، لأن الأيام النجمية أقصر من الأيام في التوقيت الشمسي المتوسط ​​(UT1). النسبة هي:$${\displaystyle {\frac {I_{\mathrm {mean\,sidereal} }}{I_{\mathrm {UT1} }}}=r'=1.002\,737\,379\,093\,507\,95+5.9006\times 10^{-11}t-5.9\times 10^{-15}t^{2}}$$بحيث يمثل t عدد القرون اليوليانية التي انقضت منذ ظهر يوم 1 يناير 2000 بالتوقيت الأرضي . ^{[ 17 ]}

ستة من الكواكب الثمانية التي تدور حول الشمس تدور في اتجاهها الأمامي ، أي أنها تدور أكثر من مرة في السنة في نفس اتجاه دورانها حول الشمس، ولذلك تشرق الشمس من الشرق. ^{[ 18 ]} أما كوكب الزهرة وكوكب أورانوس فيدوران في اتجاه عكسي . بالنسبة للدوران الأمامي، فإن الصيغة التي تربط بين طول اليوم النجمي واليوم الشمسي هي:

أو، على نحو مماثل:

عند حساب معادلة الدوران التراجعي، يكون عامل المقام علامة زائد (بمعنى آخر، في المعادلة الأصلية، يجب اعتبار طول اليوم النجمي سالبًا). ويعود ذلك إلى أن اليوم الشمسي أقصر من اليوم النجمي في حالة الدوران التراجعي، حيث يكون دوران الكوكب معاكسًا لاتجاه حركته المدارية.

إذا كان الكوكب يدور في اتجاه دورانه، وكان اليوم النجمي مساوياً تماماً لفترة دورانه حول الشمس، فإن الصيغة المذكورة أعلاه تعطي يوماً شمسياً لا نهائياً ( القسمة على صفر ). هذا هو الحال بالنسبة للكوكب الذي يدور دوراناً متزامناً ؛ أما في حالة انعدام الانحراف المركزي، فإن أحد نصفي الكرة الأرضية يشهد نهاراً أبدياً، والآخر ليلاً أبدياً، مع وجود "حزام شفق" يفصل بينهما.

تتشابه جميع الكواكب الشمسية الأبعد عن الشمس من الأرض مع الأرض في أنها، نظرًا لدورانها المتكرر حول الشمس، لا يوجد سوى فرق طفيف بين طول اليوم النجمي واليوم الشمسي، إذ لا تقل نسبة الأول إلى الثاني عن نسبة الأرض البالغة 0.997. لكن الوضع مختلف تمامًا بالنسبة لعطارد والزهرة. يبلغ طول اليوم النجمي لعطارد حوالي ثلثي دورته المدارية، لذا، وفقًا لمعادلة الدوران الأمامي، يستمر يومه الشمسي دورتين حول الشمس، أي ثلاثة أضعاف طول يومه النجمي. أما الزهرة، فتدور عكسيًا، ويبلغ طول يومها النجمي حوالي 243 يومًا أرضيًا، أو حوالي 1.08 ضعف دورتها المدارية البالغة 224.7 يومًا أرضيًا؛ وبالتالي، وفقًا لمعادلة الدوران العكسي، يبلغ طول يومها الشمسي حوالي 116.75 يومًا أرضيًا، ويبلغ طول دورتها المدارية حوالي 1.9 يومًا شمسيًا.

بحسب العرف، تُعطى فترات دوران الكواكب بالوحدات الفلكية ما لم يُنص على خلاف ذلك.

• التوقيت المضاد للنجومية
• دوران الأرض
• الإطار المرجعي السماوي الدولي
• ليلي (آلة موسيقية)
• الشهر الفلكي
• السنة الفلكية
• اليوم السينودسي
• جهاز النقل

• التقويم الفلكي لعام 2017. واشنطن وتاونتون: مكتب الطباعة الحكومي الأمريكي ومكتب المسح الهيدروغرافي البريطاني. 2016. ISBN 978-0-7077-41666.
• باكيتش، مايكل إي. (2000). دليل كامبريدج للكواكب . مطبعة جامعة كامبريدج. ISBN 0-521-63280-3.
• "زاوية دوران الأرض" . الخدمة الدولية لدوران الأرض ونظام الإسناد . 2013. تم الاطلاع عليه بتاريخ 20 مارس 2018 .
• ملحق توضيحي للتقويم الفلكي . لندن، إنجلترا: مكتب القرطاسية التابع لجلالة الملكة. 1961.
• "الوقت والتردد من الألف إلى الياء، ومن السين إلى الياء" . المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا . 12 مايو 2010.
• أوربان، شون إي؛ سيدلمان، بي. كينيث، محرران. (2013). ملحق توضيحي للتقويم الفلكي (  الطبعة الثالثة). ميل فالي، كاليفورنيا: منشورات جامعة العلوم. ISBN 978-1-891389-85-6.

• حاسبة التوقيت الفلكي عبر الإنترنت