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.

More exactly, sidereal time is the angle, measured along the celestial equator, from the observer's meridian to the great circle that passes through the March equinox (the northern hemisphere's vernal equinox) and both celestial poles, and is usually expressed in hours, minutes, and seconds. In the context of sidereal time, "March equinox" or "equinox" or "first point of Aries" is currently the direction from the center of the Earth along the line formed by the intersection of the Earth's equator and the ecliptic, toward the constellation Pisces; during ancient times it was toward the constellation Aries.^[3] Common time on a typical clock (using mean Solar time) measures a slightly longer cycle, affected not only by Earth's axial rotation but also by Earth's orbit around the Sun.

The March equinox itself precesses slowly westward relative to the fixed stars, completing one revolution in about 25,800 years, so the misnamed "sidereal" day ("sidereal" is derived from the Latin sidus meaning "star") is 0.0084 seconds shorter than the stellar day, Earth's actual period of rotation relative to the fixed stars.^[4] The slightly longer stellar period is measured as the Earth rotation angle (ERA), formerly the stellar angle.^[5] An increase of 360° in the ERA is a full rotation of the Earth.

A sidereal day on Earth is approximately 86164.0905 seconds (23 h 56 min 4.0905 s or 23.9344696 h). (Seconds are defined as per International System of Units and are not to be confused with ephemeris seconds.) Each day, the sidereal time at any given place and time will be about four minutes shorter than local civil time (which is based on solar time), so that for a complete year the number of sidereal "days" is one more than the number of solar days.

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