书城文化中国历史文化百科——天文学
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第4章 中国古代星图、星象观测知识(4)

最后必须提及的是明末由徐光启(1562~1633年)主持测绘的星图,共有五种,其中主要的三种是:《赤道两总星图》,一幅以北极为中心,一幅以南极为中心,都以赤道为边界,按360°的赤道经、纬度绘制,离极23.5°绘出黄极,并从黄极出发,分列十二宫的黄经,这是我国最早出现有赤道纬度和黄极的星图。《黄道南北两总星图》的两图分别以北、南黄极为中心,以黄道为边界绘制全天分十二宫,星的坐标为黄经和黄纬,图名下右汤若望所撰《黄道南北两总星图说》。这两种星图完成后,徐光启认为它们尺幅狭小,于是在他去世前的几个月,又带领历局的工作人员重新绘制了两幅大型的《赤道南北两总星图》。星图中心标明赤极和黄极,外有恒显圈和恒隐圈,最外的大圆为赤道,与赤道相交又有黄道;星图外圈分注360°,内圈则分365.25°;从赤极引直线至周边,分天区为二十八宿,又从黄极引曲线至周边,分天区为十二宫,经、纬度俱全;星图以崇祯元年为历元,图上星辰都依星表一点定,全天共绘1812颗星,既有中国的传统星官,也有新增之星,星点以大小不同表示恒星的视亮度,共分六等;星图以蓝色为背景,上绘银河,银河中布满了均匀的黑点,象征它是由无数颗星组成的;图上还用带光芒的星表示“气”,用白色的不规则形状表示目视可见的星团和星云,如大、小麦哲伦星云。星图之上还有徐光启撰写的《赤道南北两总星图叙》和汤若望的《赤道南北两总星图说》,并附有表示行星行度的“经图”和“纬图”以及欧洲的天文仪器图等。星图的完成时间在明崇祯四至六年(1631~1633年)期间。

《赤道南北两总星图》是目前我国所见最早的包括南天区在内的大型全天星图,它与莆田星图一样,在继承我国古代星图内容的同时,又融合了欧洲天文学的有益成果,在我国星图绘制史上起着承上启下的作用。如内蒙古呼和浩特市五塔寺清代蒙文石刻星图(1727~1732年)中星等概念和纬度标尺线等的运用,都显示了前者影响的结果。毫无疑问,这两幅明末星图的出现,为清代以后星图的绘制开了先河。

恒星观测

中国古代恒星观测的意义不仅在于它所具有的观象授时的作用,更重要的则是创立了一种中国独特的天文学体系,这个体系包括北极和赤道以及与此相适应的赤道星座和分区。我们将会看到,先民们是如何通过建立天空中恒星间的巧妙联系,最终使这个体系一步步地发展起来的。

天球坐标

宇宙是浩瀚无垠的,然而由于人们目力的局限,恒星在天空中仅仅呈现出明暗的差异,并没有反映出远近的不同,这种错觉使得实际观测的结果只表现为恒星从它们的实际位置投影到以地球为中心,以肉眼极限为半径的球面上,这个假想的球面就叫作天球。

进行恒星观测,人们首先需要解决的问题就是确定天体在天球上的位置,这种要求导致了一系列坐标体系的产生。在古代中国,主要的球面坐标系统有地平坐标、黄道坐标和赤道坐标,其中地平坐标系统产生最早也最为直观,而赤道坐标系统在天文学上则得到了最广泛的应用。

中国古代的地平坐标是以天顶、地平圈、四方点和子午圈为基础建立的,它的两个坐标分量是地平高度和方位,其中地平方位的概念在地平坐标系统建立的初期便占有重要地位,它广泛地用于以日晷测量太阳出没运行的方位角上。尽管它产生很早,但最初的方位角究竟如何表示已很难查考。

地平方位也就是地平方向,可以在地平经圈上标示。方位概念产生于东、西、南、北四个正方向,这可以运用测量日影的方法直接取得。四方的表示方法有多种,通常配以子午卯酉四支或坎离震兑四卦。后来四方增加四维而构成八方,进而又演变为十二方和二十四方,则分别用四维卦、八干、十二支表示。四维卦以艮示东北,巽示东南,乾示西北,坤示西南;八干为甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸;十二支是子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥。与今天不同的是,早期的方位概念指的却是一个区域,正如商代的“亚”

字所显示出的东、西、南、北、中五个方位一样,这个传统直接影响了后世二十四方位的建立。

地平坐标的另一个分量是地平高度,它是指天体沿着垂直于地平经圈的大圆到坞平的角距离,地平则为计算的起点。中国古人在相当长的时间内一直采用丈、尺、寸等长度单位来表示天体的高度,一寸大致等于一度,直到宋代以后,度的单位才正式得到应用。

中国古代的黄道坐标系统来源于古人对于黄道的认识。我们知道,太阳除了每天东升西落之外,还在恒星背景中向东移动约1°的角距离,因而一年大致行移一圈,太阳在天球上的这个周年视运动轨迹就称为黄道。由于中国古人对太阳和恒星运动的观测历史十分悠久,所以认识黄道也相对较早。中国传统的二十八宿体系自古被视为“日月舍”,显然在这个星宿体系创立之初,黄道概念已经萌芽了。

战国时代的《石氏星经》是最早明确提到黄道的古代文献,然而书中记述的冬至点位置似乎与这部着作的年代存在矛盾。《星经》说:“黄道规牵牛初直斗二十度”,其中“黄道规”即指天球上的黄道圈,“牵牛初”则是冬至点。冬至点在黄道上的位置在离斗宿距星二十度的地方,这个天象的出现时间充其量只能上溯到公元前80年左右。但是,公元前一世纪时刘向却将黄道的建立年代提前了很多,他在《五纪论》中说:“日月循黄道,南至牵牛,北至东井”,根据这个记载,黄道的南点,也就是冬至点位于牵牛,这个天象至少出现在公元前五世纪,因而比斗二十度更为古老。可以说,中国古人很早就开始了以黄道为基本大圆的天体位置测量是毫无疑问的。

中国黄道坐标系以黄道为基本圈,天体的位置可用黄经和黄纬两个坐标分量来表示。黄道坐标系对于标示太阳运动较为适宜,同时,虽然月亮和行星的运行轨道不与黄道重合,但相交角度很小,因而用黄道来标示它们的运动也比较方便。《石氏星经》之后,史书中记载东汉初年傅安曾经使用黄道坐标来测量太阳、月亮的运动和弦、望位置,比当时太史官使用赤道坐标的计算结果更为准确。

根据东汉史官利用他们制造的黄道铜仪所测量的二十八宿距星的黄道距度分析,中国黄道坐标系中的黄经概念与现代天文学有所不同。黄经差实际是指二十八宿距星的赤经差在黄道上的投影,因而黄经的起算点是二十八宿距星而并非春分点。这是由于黄道铜仪只是在赤道式浑仪上增加一个黄道圈而形成的缘故,从而使某宿的黄经距度其实就是量过这个宿和下一宿距星的两条赤经圈所夹的黄道弧长。所以严格地说,这个黄道度数的比较准确的叫法应该是“似黄经”。

与“似黄经”相配的另一个概念是“似黄纬”,由于中国古代黄道坐标中的南、北极不如亦道坐标中的南、北极叙述得清楚,并无明确决定,因而“似黄纬”实际是以天体沿赤道圈到黄道的角距离。测量时需以黄道为基点,天体位于黄道以南叫黄道外,位于黄道以北叫黄道内。这种黄道内外度的引入年代,目前尚不清楚。

如果说中国黄道坐标系统首先必须依赖于古人对黄道的认识的话,那么赤道坐标系统则需要人们首先认识赤极,也就是天北极。可以说,这两个坐标系统的建立过程恰好是互逆的。

天球赤道是地球赤道平面向外延伸并与天球相交形成的大圆,也就是与极轴垂直的最大的赤纬圈。中国的赤道坐标承袭了古代二十八宿记录位置的传统,天体的位置用去极度和人宿度两个坐标分量来表示。

二十八宿中的每个宿都有一颗作为测量其他恒星的标准星,这就是距星。距星的选择标准看来并不容易解释,其中一些距星因为明亮醒目,如角宿距星为角宿一(室女座a),似乎表明在远古时代,以亮星作为距星可能出于利于观测的需要,但这显然不是一项绝对的标准,因为多数距星的亮度并不很明亮,有些甚至称得上是暗星。然而它们在天球赤道上的分布却是偶合的,也就是说,赤道两端相对分布的两宿距星,它们的赤经差约等于180度,这可能是古人选择距星的又一标准。

天体与其西邻的第一颗距星之间的赤经差构成了人宿度,这个坐标分量的建立,使得传统的赤道坐标系统的赤经起算点不是一个,而是二十八个。

距星作为标准星,其与相邻距星间的赤经差必须首先测定,古人把这个值叫作距度。由于岁差的原因,二十八宿距度总在不断地变化,但在古人没有明白这个道理之前,他们只是简单地靠改换新的距度数值的办法来适应新的观测结果。1977年,安徽阜阳双古堆西汉汝阴侯墓出土了一件属于汉文帝十五年(公元前165年)的二十八宿圆形占盘,盘上注明了二十八宿距度数据,这些数据与《开元占经》

所列二十八宿距星位置下标注的古距度数据基本相同。由于占盘本身并不是天文仪器,因而可以推断,盘上天文数据的测定年代要比占盘的制作年代早得多。这表明,至少在战国时代,入宿度和距摩的概念已经形成。

天体去极度是指所测天体距北极的角距离,这个坐标分量最早明确记载在《周髀算经》之中。

《周髀算经》虽然最迟成书于公元前一世纪左右,但其中有关赤道坐标的数据却是对前人工作加以改造的结果。很明显,这个分量在战国时代已经使用也是可能的。

这两个坐标分量的产生直接涉及了中国赤道坐标体系的完成时代,过去中国学者把它推定在战国时期,日本学者上田穰通过对《开元占经》所引石氏给出的恒星赤道坐标的研究,也得到了相同的结论。这些见解与实际情况可能比较接近,尽管我们对古人恒星观测的历史可以追溯得很远,但是提供早期星象基础与作为天文学规律性的认识和实践毕竟是两个不同的概念。不过从濮阳西水坡星象图所反映出的一个完整的识星规模来看,把公元前四千年代看作是包括赤道坐标在内的各种坐标系统的起源时代似乎并不过分,至于说赤道坐标在战国时期的面貌,那显然已是一种相当完善的独立系统了。

中国赤道坐标体系的建立与中国古人重视观测拱极星的传统密切相关,事实上,这个传统最初造就的识星方法很可能只是一种综合各种坐标系统的混合物,因为从人类的认识过程考虑,当年人们所熟悉的只能是基于天体周日视运动而导致的黄赤道混合带,真正将黄赤道加以区别显然是更晚的事情。尽管如此,中国原始的识星体系由于受到拱极星观测传统的影响,从一开始就显示出了重视赤道的倾向。与此不同的是,其他文明古国,如古代埃及、巴比伦和古代希腊,都是以建立了完善的黄道坐标体系,并以这个体系方便地标示日月和行星运动而着称。虽然黄道与赤道并不处于同一个平面,而是大致斜交或23.5度的夹角,但是由于地球自转,所有天体实际都参与周日视运动,并且其运动轨迹与天赤道平行。因此,中国先民重视拱极星的传统使他们最终选择了另一种利用赤道坐标观测恒星的方法,从而在世界天文学史上形成了独具特色的观测体系。

天官与星官

古人观测星象,随着观测者所处地理纬度的不同,观测重点也各有差异。对中国古人来说,他们的注意力主要集中在两个区域,首先是北斗所在的北天区,其次是二十八宿分布的黄道带和赤道带。

两个区域并不像表面看去那样彼此分隔,它们最终由北斗相互拴系,其作用与其说是人为地将天球星象组成一个整体,倒不如说是通过建立拱极星与黄道或赤道星座之间的某种有效的联系,从而获得对二十八宿更加完整的观测结果。原因很简单,由于在黄河流域的纬度,北斗处于恒显圈,终年不隐,与此相反,黄道和赤道星座在一年中却总有一部分不可见。因此,一旦确定了拱极星与二十八宿中的几个关键星宿的相对关系,人们便可以通过北斗这个可见天体很容易地推定二十八宿中那些沉入地平的星宿的位置。

司马迁在《史记·天官书》中给出了北斗与十八宿的一种特殊关系:

北斗七星,所谓“璇、玑、玉衡以齐七政”。杓携龙角,衡殷南斗,魁枕参首。

这个关系表现为,北斗的第七星(杓)通过它的延长线玄戈、招摇、大角,最终指向苍龙七宿的角宿,北斗第一星(魁)指向白虎七宿中的觜宿,从北斗第五星(玉衡)引出一条直线与天玑、天权二星的线平行,正指南斗。

这个记载的来源似乎很古老,然而,公元前五世纪战国初年曾侯乙墓漆箱星图则呈现了与此不尽相同的另一种关系。星图中央绘有篆书的斗字,表示北斗图象,周围环书二十八宿,需要特别注意的是,北斗被特意延长的四笔分别指向二十八宿的四个中心宿,即心宿、危宿、觜宿和张宿。

这张图补充了《天官书》所没有讲到的北斗与南宫诸宿的关系,从实际天象考虑,天璇与天枢二星实际直指南宫张宿。我们可以认为《天官书》

于此点明显是遗漏了,也可以认为它们代表着同一体系的不同发展阶段,但有一点可以明确,拱极星与二十八宿的这种独特关系的确立,至少不会比曾侯乙墓的时代更晚近。

看来上面说到的这两种可能性都是存在的,从中国天文学传统去追溯它的起源,北斗就不能不与南宫诸宿发生关系,而用《天官书》的记载去比较曾侯乙墓星图,又不能不承认二者的区别。

建立这种星象的整体联系是古人长期探索的结果,应该承认,这种利用拱极星来拴系黄道和赤道星座的想法是十分巧妙的。拱极星与周天星象的这种最基本的联系,则为后来逐渐形成的中国独特的天官体系奠定了基础。在这个体系中,北斗作为最重要的授时星象组成了中宫,而二十八宿与北斗的相互联系则使其沿赤道组成了四个象限宫,即东宫、西宫、南宫和北宫。这个五宫体系在《天官书》中得到了最终的完善。

五宫的建立构成了中国传统的星象体系,但是最新的研究表明,在五宫形成之前,大概有一个相当长的三宫时期,当时是以北斗为主组成了中宫,并以后世东西二宫中的部分星象组成了东西两富。这种关系在包含有北斗和龙虎两象的濮阳西水坡星象图中得到了完整的体现,它实际是一种古老天官体系的雏形。事实上,由于三宫的建立来源于最原始的识星体系,因此它始终充当着中国传统天官体系的基本框架,甚至在数千年后的战国曾侯乙二十八宿漆箱星图上,我们依然可以感受到它的影响。