Các cung hoàng đạo

Cung hoàng đạo hay mặt phẳng hoàng đạo là con đường mà Mặt Trời dường như đi qua trên bầu trời khi nhìn từ Trái Đất. Mặt phẳng này tương đương với quỹ đạo của Trái Đất quanh Mặt Trời, tạo ra quỹ đạo biểu kiến của Mặt Trời quanh Trái Đất. Do sự quay của Trái Đất, chúng ta ít chú ý đến chuyển động này, vì sự quay làm cản trở việc quan sát sự di chuyển của Mặt Trời so với các ngôi sao. Hoàng đạo là mặt phẳng quan trọng, được dùng làm cơ sở cho hệ tọa độ hoàng đạo.

Chuyển động của Mặt Trời trên bầu trời

Chuyển động này là một cách đơn giản so với chuyển động thực tế của Mặt Trời. Do Trái Đất quay quanh trọng tâm của hệ Trái Đất - Mặt Trăng, đường đi của Mặt Trời có chút dao động theo chu kỳ khoảng một tháng. Thêm vào đó, các nhiễu loạn từ các hành tinh khác làm cho trọng tâm hệ Trái Đất - Mặt Trăng dao động quanh vị trí trung bình một cách phức tạp. Hoàng đạo thực sự là con đường mà Mặt Trời di chuyển trong suốt một năm.

Do Trái Đất mất một năm để hoàn thành vòng quay quanh Mặt Trời, vì vậy Mặt Trời cũng cần một năm để quay một vòng trên hoàng đạo. Với mỗi năm dài hơn 365 ngày một chút, Mặt Trời dịch chuyển khoảng dưới 1° về phía đông mỗi ngày. Khi quan sát từ Trái Đất, vị trí của Mặt Trời so với các ngôi sao có thể thay đổi nhỏ, vì Trái Đất quay quanh Mặt Trời, dẫn đến sự khác biệt khoảng 4 phút mỗi ngày so với nếu Trái Đất không quay. Một ngày trên Trái Đất dài hơn 24 giờ, trong khi ngày sao chỉ dài 23 giờ 56 phút. Tuy nhiên, đây chỉ là một mô tả đơn giản dựa trên giả thiết Trái Đất quay quanh Mặt Trời với tốc độ không thay đổi. Thực tế, tốc độ của Trái Đất thay đổi trong suốt năm, ảnh hưởng đến chuyển động của Mặt Trời trên hoàng đạo. Ví dụ, Mặt Trời nằm ở phía bắc xích đạo thiên cầu trong khoảng 185 ngày và ở phía nam trong 180 ngày. Những thay đổi này cần được tính toán trong phương trình thời gian.

Quan hệ với xích đạo thiên cầu

Vì trục quay của Trái Đất không vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo của nó, xích đạo của Trái Đất nghiêng so với mặt phẳng hoàng đạo một góc 23,4°, được gọi là độ nghiêng của mặt phẳng hoàng đạo. Nếu xích đạo được kéo dài ra ngoài thiên cầu, tạo thành xích đạo thiên cầu, nó cắt hoàng đạo tại hai điểm gọi là các điểm phân. Khi Mặt Trời di chuyển dọc theo hoàng đạo, nó cắt xích đạo thiên cầu tại những điểm này: một điểm từ nam đến bắc (điểm xuân phân, hay điểm đầu tiên của Bạch Dương và điểm nút lên của hoàng đạo), và một điểm từ bắc đến nam (điểm thu phân, hay điểm nút xuống).

Hướng của trục quay của Trái Đất và xích đạo không cố định trong không gian vũ trụ mà quay quanh cực của hoàng đạo với chu kỳ khoảng 26.000 năm, một hiện tượng được gọi là tiến động Mặt Trời - Mặt Trăng (lunisolar precession). Quá trình này chủ yếu do lực hấp dẫn của Mặt Trời và Mặt Trăng tác động lên hình dạng không hoàn hảo của Trái Đất (phình ra ở xích đạo và dẹt ở các cực). Vì vậy, hoàng đạo cũng không phải là đường cố định. Các nhiễu loạn hấp dẫn từ các hành tinh khác trong hệ Mặt Trời gây ra sự chuyển động nhỏ hơn trong quỹ đạo của Trái Đất, và do đó, hoàng đạo cũng bị ảnh hưởng, được gọi là tiến động hành tinh. Tác động tổng hợp của hai quá trình này được gọi là tiến động chung, và vị trí của các điểm phân thay đổi khoảng 50 giây cung (xấp xỉ 0°,014) mỗi năm.

Tuy nhiên, mô tả trên chỉ là một phiên bản đơn giản hóa. Chuyển động tuần hoàn của Mặt Trăng và sự di chuyển biểu kiến của Mặt Trời (thực chất là chuyển động của Trái Đất quanh Mặt Trời) tạo ra các dao động nhỏ ngắn hạn ở trục quay của Trái Đất, ảnh hưởng đến xích đạo thiên cầu. Quá trình này, được gọi là chương động, kết hợp với tiến động tạo thành sự thay đổi trong vị trí của các điểm phân. Các điểm phân và xích đạo thiên cầu được tính toán với đầy đủ ảnh hưởng của chương động được gọi là xích đạo và điểm phân thực, trong khi các vị trí không tính đến chương động là xích đạo và điểm phân trung bình.

Độ nghiêng của hoàng đạo

Độ nghiêng của hoàng đạo, thuật ngữ dùng để chỉ góc nghiêng của mặt phẳng xích đạo của Trái Đất so với mặt phẳng hoàng đạo, hoặc góc nghiêng của trục quay Trái Đất so với trục vuông góc với mặt phẳng hoàng đạo, hiện đang là 23,4°. Giá trị này giảm khoảng 0,013 độ (47 giây cung) mỗi trăm năm do tác động của nhiễu loạn từ các hành tinh.

Để xác định giá trị góc của độ nghiêng của hoàng đạo, các nhà thiên văn quan sát chuyển động của Trái Đất và các hành tinh trong hệ Mặt Trời qua nhiều năm. Khi chất lượng quan sát cải thiện và hiểu biết về các yếu tố động lực học được nâng cao, các nhà thiên văn phát triển các lịch thiên văn cơ sở mới (fundamental ephemeris) từ đó rút ra nhiều giá trị thiên văn, bao gồm độ nghiêng của hoàng đạo.

Trước năm 1983, độ nghiêng của hoàng đạo vào bất kỳ ngày nào được tính dựa trên bảng dữ liệu vị trí của các thiên thể do Simon Newcomb cung cấp, người đã phân tích vị trí của các hành tinh cho đến năm 1895.

ε = 23° 27′ 08″.26 − 46″.845 T − 0″.0059 T + 0″.00181 T

Trong công thức trên, ε là độ nghiêng của hoàng đạo, còn T là số thế kỷ kể từ kỷ nguyên B1900.0 đến ngày tính toán giá trị.

Kể từ năm 1984, bộ lịch thiên văn DE, do Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) phát triển bằng máy tính, đã thay thế các bảng cũ để trở thành lịch thiên văn chính thức của Astronomical Almanac. Độ nghiêng của hoàng đạo trong lịch DE200, dựa trên các quan sát từ 1911 đến 1979, được tính theo công thức sau:

ε = 23° 26′ 21″.45 − 46″.815 T − 0″.0006 T + 0″.00181 T

với T là số thế kỷ Julius kể từ kỷ nguyên J2000.0.

Lịch thiên văn cơ sở của JPL liên tục được cập nhật. Ví dụ, giá trị độ nghiêng trong Astronomical Almanac năm 2010 được xác định như sau:

ε = 23° 26′ 21″.406 − 46″.836769 T − 0″.0001831 T + 0″.00200340 T − 0″.576×10 T − 4″.34×10 T

Các công thức này cung cấp độ nghiêng hoàng đạo với độ chính xác cao hơn trong khoảng thời gian ngắn, thường là ± vài thế kỷ. J. Laskar đã đề xuất một công thức với độ chính xác đạt 0″.04 trên mỗi 1000 năm trong 10.000 năm.

Tất cả các công thức trên đưa ra độ nghiêng hoàng đạo trung bình, tức là không tính đến ảnh hưởng của chương động thiên văn. Để xác định độ nghiêng thực hay độ nghiêng tức thời, cần phải xem xét thêm ảnh hưởng của chương động.

Mặt phẳng của Hệ Mặt Trời

Hầu hết các thiên thể trong hệ Mặt Trời quay quanh Mặt Trời gần như nằm trong cùng một mặt phẳng, vì hệ Mặt Trời ban đầu hình thành từ một đĩa tiền hành tinh. Mặt phẳng gần gũi nhất với đĩa này được gọi là mặt phẳng bất biến của hệ Mặt Trời. Quỹ đạo của Trái Đất, và do đó hoàng đạo, nghiêng một góc nhỏ dưới 1° so với mặt phẳng bất biến, trong khi các hành tinh khác có mặt phẳng quỹ đạo nghiêng khoảng 6°. Vì vậy, hầu hết các vật thể trong hệ Mặt Trời gần gũi với hoàng đạo khi quan sát từ Trái Đất. Hoàng đạo được định nghĩa bởi chuyển động của Mặt Trời, trong khi mặt phẳng bất biến được xác định dựa trên mô men động lượng của toàn bộ hệ Mặt Trời, bao gồm tổng mô men động lượng của tất cả các chuyển động quanh Mặt Trời và sự quay quanh trục của từng vật thể. Do đó, mặt phẳng hoàng đạo thường được sử dụng làm mặt phẳng tham chiếu cho hệ Mặt Trời vì sự tiện lợi.

Mặt phẳng tham chiếu thiên cầu

Hoàng đạo là một trong hai mặt phẳng cơ bản dùng làm tham chiếu trên thiên cầu, mặt phẳng còn lại là xích đạo thiên cầu. Trục vuông góc với hoàng đạo xác định hai cực của hoàng đạo, trong đó cực bắc hoàng đạo là cực bắc của xích đạo. Trong hai mặt phẳng này, mặt phẳng hoàng đạo ít thay đổi hơn so với các ngôi sao xa, và sự ảnh hưởng tiến động của các hành tinh trên hoàng đạo chỉ bằng khoảng 1/100 so với xích đạo thiên cầu.

Hệ tọa độ cầu được sử dụng để xác định vị trí các thiên thể trên bầu trời so với mặt phẳng hoàng đạo thông qua các hoàng kinh và hoàng vĩ. Kinh độ, đo từ 0° đến 360° dọc theo hoàng đạo bắt đầu từ điểm xuân phân, theo hướng đông và cùng chiều với chuyển động của Mặt Trời. Vĩ độ đo theo hướng vuông góc với hoàng đạo, từ +90° về phía cực bắc đến -90° về phía cực nam của hoàng đạo, với hoàng đạo là 0°. Để xác định vị trí hoàn chỉnh trên thiên cầu, cần phải biết khoảng cách, thường dùng đơn vị thiên văn trong hệ Mặt Trời và đơn vị kilômét hoặc bán kính Trái Đất cho các vật thể gần. Một hệ tọa độ trục vuông góc cũng thường được dùng, với trục hoành x chỉ về điểm xuân phân, trục tung y chỉ về phía đông và trục cao độ z chỉ về cực bắc hoàng đạo, sử dụng đơn vị thiên văn. Các ký hiệu quy định cho hệ tọa độ hoàng đạo được trình bày như trong bảng sau.

Hệ tọa độ hoàng đạo rất tiện lợi để xác định vị trí các vật thể trong hệ Mặt Trời, vì hầu hết các quỹ đạo hành tinh chỉ nghiêng nhẹ so với mặt phẳng hoàng đạo, khiến chúng luôn xuất hiện gần hoàng đạo trên bầu trời. Do quỹ đạo của Trái Đất và hoàng đạo không thay đổi nhiều, có thể xem như mặt phẳng này là cố định so với các ngôi sao.

Do sự tiến động của các điểm phân, tọa độ hoàng đạo của các thiên thể trên thiên cầu liên tục thay đổi. Để xác định vị trí trong hệ tọa độ hoàng đạo, cần phải dựa vào điểm phân của một ngày cụ thể, được gọi là kỷ nguyên. Ví dụ, bảng Astronomical Almanac liệt kê vị trí của Sao Hỏa vào lúc 0h ngày 4 tháng 1 năm 2010: kinh độ 118° 09' 15'.8, vĩ độ +1° 43' 16'.7, và khoảng cách thực đến Mặt Trời là 1,6302454 AU, với điểm phân trung bình và ngày hoàng đạo (mean equinox and ecliptic of date). Điều này xác định điểm phân trung bình cho ngày 4 tháng 1 năm 2010 lúc 0h TT như miêu tả ở trên, không tính đến chương động.

Thiên thực

Vì mặt phẳng quỹ đạo của Mặt Trăng chỉ nghiêng khoảng 5,145° so với mặt phẳng hoàng đạo và Mặt Trời luôn nằm gần hoàng đạo, các hiện tượng thiên thực thường xảy ra gần hoặc trên hoàng đạo. Do quỹ đạo của Mặt Trăng nghiêng nhẹ, thiên thực không xảy ra ở mỗi lần giao hội hay xung đối giữa Mặt Trời và Mặt Trăng, mà chỉ xảy ra khi Mặt Trăng ở gần điểm nút quỹ đạo lên hoặc điểm nút xuống đồng thời với vị trí giao hội hoặc xung đối với Mặt Trời. Các nhà thiên văn cổ đại cũng đã nhận thấy rằng thiên thực chỉ xảy ra khi đường đi của Mặt Trăng cắt qua hoàng đạo.

Điểm phân và điểm chí

Thời điểm chính xác của các điểm phân và điểm chí xảy ra khi kinh độ hoàng đạo biểu kiến của Mặt Trời đạt 0°, 90°, 180°, hoặc 270° (bao gồm cả hiệu ứng quang sai và chương động). Do chuyển động quỹ đạo của Trái Đất bị ảnh hưởng bởi nhiễu loạn và sự không đồng đều của lịch, ngày của các điểm chí và điểm phân không cố định.

Đi qua các chòm sao

Trong thiên văn học hiện đại, hoàng đạo hiện tại đi qua các chòm sao được liệt kê dưới đây:

Chiêm tinh học

Hoàng đạo hình thành một dải trung tâm rộng 20° gọi là cung Hoàng Đạo, nơi Mặt Trời, Mặt Trăng và các hành tinh luôn di chuyển. Trong chiêm tinh học, dải này được chia thành 12 phần mỗi phần rộng 30°, tương đương với khoảng di chuyển của Mặt Trời trong một tháng. Ở thời cổ đại, 12 phần này tương ứng với 12 chòm sao hoàng đạo. Những thuật ngữ này vẫn được sử dụng ngày nay. Điểm đầu tiên của Dương Cưu được xác định khi điểm xuân phân nằm trong chòm sao Bạch Dương; sau đó nó sẽ di chuyển đến Song Ngư.

• Quá trình hình thành và phát triển của Hệ Mặt Trời
• Mặt phẳng bất biến
• Đĩa tiền hành tinh
• Hệ tọa độ thiên văn

Liên kết ngoài

• Hoàng đạo trong Từ điển bách khoa Việt Nam
• Thông tin về Ecliptic (hoàng đạo) trên Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)
• Hoàng đạo: Đường đi của Mặt Trời trên thiên cầu tại Khoa vật lý, Đại học Durham.
• Các mùa và mô phỏng hoàng đạo được trình bày tại Đại học Nebraska-Lincoln
• MEASURING THE SKY: Hướng dẫn nhanh về thiên cầu của James B. Kaler, Đại học Illinois
• Các mùa của Trái Đất Lưu trữ ngày 13 tháng 10 năm 2007 trên Wayback Machine từ Trạm quan sát hải quân Hoa Kỳ
• Khái niệm cơ bản về Hoàng đạo, Xích đạo và hệ tọa độ tại AstrologyClub.Org
• Kinoshita, H.; Aoki, S. (1983). “The definition of the ecliptic”. Celestial Mechanics. 31: 329–338. Bibcode:1983CeMec..31..329K. doi:10.1007/BF01230290.; đối chiếu các định nghĩa của LeVerrier, Newcomb và Standish.