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北極星，又名北辰，是最靠近北天極的一顆恒星。北極星是小熊座北環極星座中的一顆恒星。現在的北極星為小熊座α星（α Ursae Minoris），由于歲差的關系，不同時期的北極星是不同的。它的視星等在 1.98 左右波動，是小熊星座中最亮的恒星，在夜晚肉眼很容易看到。這顆恒星在北天的穩定位置使其在導航方面非常有用。

中國古人在觀天象的過程中，已經辨別出北極星，并將其視作眾星的中心。因為地球隨著自轉，極軸的位置會發生微小變動，因此北極星會根據北極點的位置進行調整。中國觀測史中，從公元前2800年到現在，先后有，右樞（天龍座星）、北極二（別名紫微星、帝星，即小熊座星）和勾陳一（小熊座星）成為北極星。據記載，古埃及天文學家在4700至4100年前也發現了一顆北極星，其在不同語言中有很多名字，例如，古埃及天文學家在4700至4100年前也發現了北極星，在法老墓的壁畫中用鱷魚騎河馬的象征表示；在印度古天文學里，用梵語dhruva tāra（意為“恒星”）命名他們發現的北極星。雖然在肉眼看來北極星是一個單光點，但它卻是一個由三顆恒星組成的系統，主星是一顆黃色超巨星，被命名為北極星 Aa，是該三合星系統中亮度最高的恒星，與一顆較小的伴星北極星 Ab 一起運行在軌道上；這對伴星與北極星 B 一起運行在一個更寬的軌道上。

在文化方面，北極星、北斗星所處的拱極一帶被當成星國的中心，北極星則成了至高無上的尊星，猶如人間的帝王。劉徹時，曾流行一種北極神信仰。除此之外，北極星在一些詩歌和歷史劇中也常被用作隱喻。例如，在希臘語中，北極星的名稱是Cynosūra，意為“堅定的明星”，在英文和古挪威語中，還有“引導之星”的意思。這些種種文化跡象，都表明了北極星在世界各地人們心中的崇高象征地位。

定義

北極星，又名北辰，是最靠近北天極的一顆恒星。北極星位于地球地軸的北部延長線上，在北斗七星中的天璇星與天樞連線的五倍延長線上。中國傳統的天官體系中的觀象授時，便是通過觀察北極星，以及圍繞北極星作周日或周年旋轉的北斗七星，來建立時間系統。由于地球的自轉軸會發生晃動，經年累月后會發生偏移，因此每過千年以上的時間，就需要更換北極星。

發現與命名

發現

中原地區古代先民在觀天象的過程中，發現天空中有個點是不動的，天空中的星星都在圍繞著這個點旋轉，于是把這個點稱作北極，將離北極點很近的星星叫北極星。北極星可以幫古人在觀星時更容易辨別出北極，在肉眼觀星的時代，北極星距離北極的距離大概在1°左右。在中國古代，做過北極星的不止一顆星，有左樞、右樞、帝星等。北極星之所以會更換，是因為地球在自轉的時候，還會有微小的晃動，使得地球極軸指向的北極角度發生變動，經過上千年的變化后，北極星就需要根據北極點的位置進行調整。在公元前2800年左右，右樞（天龍座星）為北極星；到了公元1100年前后，北極二（別名紫微星、帝星，即小熊座星）為北極星；從公元2100年左右開始，勾陳一（小熊座星）為北極星。等到勾陳一慢慢遠離北極之后，我們就需要重新更換一顆星來作為北極星了。到了公元7500年左右，天鉤五（仙王座星）將成為北極星；到了公元13600年左右時，織女一將成為北極星。

根據朱利奧·馬格利 (Giulio Magli) 的著作《古埃及的建筑、天文學和神圣景觀》，古王國時期的古埃及天文學家在4700至4100年前發現了一顆北極星，公元前85年至165年的天文學家克勞迪斯·托勒密 ( Claudius Ptolemy)首先繪制了北極星。

命名

在中國古代有很多對北極星的記載，北極星因為靠近天球正北的極點上，所以叫做北極或北辰。在希臘語中，北極星的名稱是Cynosūra，源自“κυν?σουρα ”意思是狗的尾巴。在英語中，它被稱為“pole star”或“north star”，意思是“堅定的明星”。除此之外，它一個古老的的英文名稱是“lodestar”，意為“引導之星”，與古挪威語leiearstjarna（中高地德語leitsterne）同源。英文中“Polaris”這個名稱的使用可以追溯到 17 世紀。它是拉丁語stella Polaris “北極星”的簡稱。北極星的另一個拉丁名字是stella maris “海星綱”，從很早開始，它也被用作圣母瑪利亞的頭銜，在贊美詩Ave Maris Stella（八世紀）中廣為流傳。在印度傳統天文學中，它的梵語名稱是dhruva tāra，意為“恒星”。它在中世紀伊斯蘭教天文學中的名字有多種說法，如Mismar（“針、釘”）、al-kutb al-shamaliyy（“北軸/主軸”）和al-kaukab al-shamaliyy（ “北極星”）。16 世紀西方資料中報道的名稱阿爾魯卡巴或魯卡巴也是該星座的名稱。莎士比亞的十四行詩116是北極星作為指導原則的象征意義的一個例子。

古天文學

北極璇璣結構

中國古天文算法著作《周髀算經》中，記載了通過圭表原理觀測影極游，以勾股術推測日月行度，用來確定一年的日期和季節變化的方法。其中包含了算學、歷法、天文測量和宇宙等多方面的內容。其中，描述宇宙結構的內容有：“極（指北天極）下者，其地高人所居六萬里，滂沲四聵而下，天之中央亦高四旁六萬里。天象蓋笠,地法覆盤。天離地八萬里，冬至之日,雖在外衡，常出極下地上二萬里。”根據這個描述，《周髀算經》中反映的宇宙結構應該是雙重球冠模型。在北天極之下的是地的中心，那里地勢最高，四面都向下傾斜。

北極璇璣是《周算法》中，指的是天中央北極星作拱極運動的范圍。北極樞指的是以北極星作拱極運動所畫圓圈的圓心，也就是北極點。計算北極璇璣四周的方法是：“欲知北極樞、璇璣四極，常以夏至夜半時北極南游所及，冬至夜半時北游所及，冬至日加酉之時西游所及,日加卯之時東游所及，此北樞璇璣四游。”按照這種方法，需要在某日的夜半、卯時、日中、酉時四個時刻作相應的標記，然后根據算法進行計算。

北辰信仰

北極星因為最靠近天空中央的北極點，因此很受古代統治者的重視。秦漢時代，北極星、北斗星所處的拱極一帶被當成星國的中心。司馬遷在《史記·天官書》中把這一代叫做“中宮”，其他則分東、西、南、北四宮。后來把全天的星官劃分成“三垣”、“二十八宿”。北極星為中心的一帶叫做“紫薇垣”，象征著地上的皇宮。北極星則成了至高無上的尊星，猶如人間的帝王。《公羊傳·昭公十七年》記載：大火（心宿二）為大辰，伐（參宿）為大辰，北辰為大辰。何休注：“北辰、北極，天之中也。長居其所，迷惑不知東西者，須視北辰以別。”《抱樸子·嘉》也說：“夫群迷于云夢者，必須指南以知道；并于滄海者必仰以得返。”這里北辰、辰極就是北極星。還如《淮南子·齊俗》：夫乘舟而惑者，不知東西，見斗極而寤矣。這里的斗極指的是北斗和北極星。劉徹時，曾流行一種太一信仰。太一，又叫太乙、太皇，一是指道，二是指北極神信仰。太一位于中央，因此被漢武帝尊奉為國神。《太平經》中也表達了太一位于中央的觀念：“乃上從天太一也，朝于中極，受符而行，周流洞達六方八遠，無窮時也。”

古埃及文化

大約公元前3100年，在尼羅河扎根的古埃及文明，形成了自己對天文現象和北極星的理解。比如，位于吉薩的三座大型金字塔，它們的方形基座精準地排列在正南正北和正東正西的方向上，遺址上的獅身人面像也正對著東方。對于古埃及人如何精準確定這些建筑的朝向問題，其中的一個答案就是——靠北極星來確定方位，在夜晚所有的星星都會圍繞著看似不動的北極星旋轉。這些金字塔的入口在北側面，與地面呈30°夾角，與北極星相對，古埃及的神觀們會從這個隧道里眺望北極星。在古埃及古埃及歷代法老陵墓的壁畫里，隨處可見到一種對永恒“天路”的啟示圖案：一只鱷魚騎在河馬背上。后世研究學者認為，這只鱷魚象征著北極星。

其他文化

在古印度典籍《瑜伽經》中，將北極星比喻作人體的中脈，并提到了相應的觀想方法：“專念于北極星，便刻獲得星系運動的知識。”北極星在文學作品中，象征著堅定的精神，例如，在莎士比亞的《尤利烏斯·凱撒》中，凱撒的最后一段長臺詞中有一句:“我像北極星一樣堅定。”

現代天文特征

從公元2100年左右到未來的公元7500年前后，勾陳一（小熊座星）是北極星，下面是這顆北極星的現代天文特征。

物理特性

北極星系統及其恒星是在大約 7000 萬年前由氣體和塵埃組成的星云形成的。與所有恒星一樣，北極星是由圍繞核心的層狀氣體組成，核聚變發生在核心處。當北極星的重力將最外層的氣體向內拉時，北極星在其表面下方形成了一層不透明的層，該層不易讓光線通過，從而使其發光變暗。

北極星光譜類型為F7:Ib-IIv SB，它的顏色和類型為黃色至白色的發光巨星。其有效溫度為6900開爾文，比太陽的有效溫度5777開爾文還要熱。光度是恒星發出的能量相對于太陽發出的能量。太陽的值為1。北極星光度值為 2634.12。北極星半徑是太陽的37.5倍。太陽的半徑為 695800km，因此北極星的半徑估計為 26092500km。北極星的質量是太陽質量的 5.4 倍。其具體參數如下：

位置

北極星在夜空中的位置由赤經和赤緯決定。這些相當于地球上的經度和緯度。赤經以時間（hh:mm:ss）表示，是恒星沿地球天赤道的距離。如果赤經為正，則它向東，反之亦然。赤緯是指物體相對于天赤道的偏北或偏南距離，以度數表示。如果值為正，則位于天赤道以北。對于北極星，位置為02h31M4708s 和 +89° 15` 50.9 。

根據小熊座的位置，北極星可以位于北半球的天空。天半球相當于地球的半球。北極星位于黃道以北。黃道是地球繞太陽運行的路徑。以地球為參照，因此北極星有天球半球和黃道半球，并且對于恒星來說它們可能是不同的。

變化性

北極星Aa是超巨星的主要組成部分，是一個低振幅的I型經典造父變星，盡管由于其高銀河緯度，它曾經被認為是II型造父變星。造父變星是確定距離的重要標準燭光，因此北極星作為最近的此類恒星受到了廣泛的研究。自1852 年以來，人們就一直懷疑北極星的變化。這種變異被赫茨普龍于1911 年證實。

北極星在脈動期間的亮度范圍為 1.86 - 2.13，但自發現以來，其幅度已發生變化。其變化周期接近4天。1963 年之前，振幅超過0.1星等，并且正在逐漸減小。除了1963年至1965年的中斷外，它每年穩定增加約4.5秒。1966年以后，它迅速下降，直至小于0.05星等；從那時起，它就在這個范圍附近不穩定地變化。

北極星周期增加的快速速率與第一次穿越造父變星不穩定帶的紅演化是一致的，而1963-1966年的間斷和此后脈動幅度的突然減小表明，恒星可能已經離開了不穩定帶，等待第一次穿過造父變星不穩定帶。使其靠近造父變星處于較高交叉模式的不穩定帶中心。。1980年后振幅的下降和北極星的紅演化表明源正在離開帶狀體。

北極星的溫度在其脈動期間只有很小的變化，但這種變化的程度是可變的且不可預測的。溫度變化不穩定，每個周期溫度變化幅度從小于50K到至少170K，可能與北極星Ab的軌道有關。

2011年《科學》雜志報道的研究表明，如今北極星比克羅狄斯·托勒密觀測時亮 2.5 倍，從第三級變為目前的第二級。天文學家愛德華·吉南 (Edward Guinan) 認為這是一個顯著的變化率，并記錄在案地說：“如果它們是真實的，這些變化將比當前恒星演化理論預測的變化大100倍。

距地距離

許多論文計算出地球到北極星的距離約為434光年（133 秒差距），與依巴谷天體測量衛星的視差測量結果一致。較早的距離估計通常略小，最近基于高分辨率光譜分析的研究表明，距離可能近100光年（323 ly/99 pc）。北極星是距離地球最近的造父變星，因此它的物理參數對于整個天文距離尺度至關重要。它也是唯一具有動態測量質量的。

依帕谷航天器利用恒星視差在1989年和1993年進行了測量，精度達到0.97毫角秒（970微角秒），并且獲得了遠至1000pc遠的恒星距離的精確測量。盡管依巴谷天體測量有諸多優點，但其北極星數據的不確定性已被指出，一些研究質疑依巴谷在測量北極星等雙星造父變星時的準確性。專門針對北極星的依帕谷縮減已經被重新審查和重申，但對于距離仍然沒有達成廣泛的一致。

高精度視差測量的下一個重要步驟來自蓋亞，這是一項于2013年啟動的空間天體測量任務，旨在測量25微角秒 (μas) 以內的恒星視差。蓋亞將無法對像北極星這樣的明亮恒星進行測量，但它可能有助于測量假定的其他恒星以及一般的銀河距離尺度。射電望遠鏡也被用來在遠距離進行精確的視差測量，但這需要一個與恒星密切相關的緊湊射電源，這通常只適用于在其星周材料中具有脈澤的冷超巨星。

觀測與探測

由于地球的自轉周期，北極點在星空中也在悄悄移動，大約2600年為一個輪回。順著北天極移動的方向，可以發現不同時代的北極星。比如，公元前19600至18600年間，天鉤六為北極星，之后造父五、天鉤五、左樞、右樞、少尉等，都當過北極星。根據這條運動軌跡，還可以推算出未來的北極星，比如，到了公元6300年，天鉤六會再次成為北極星。

業余觀測

首先將望遠鏡支架大致對準北天極的方向。這可以通過在黃昏時移動三腳架和安裝座并將極軸瞄準大致北方方向來實現。北極星在天空中很容易被發現，因為它比附近區域的任何周圍恒星都亮得多。同時可以使用免費的天文館軟件（例如Stellarium）幫助確認您正在觀察的星座和星星。可以通過尼康p900這樣的相機復制，多次曝光來制作星跡照片，甚至可以對延時影片進行后期處理。

在尋找北極星的時候，可以這樣做：面對北面天空，我們可以看到大熊座和仙后座。這兩個星座都很容易辨認。大熊座有7顆主要亮星：天樞、天璇星、天璣、天權、玉衡、開陽以及搖光。這七顆亮星組成勺子的樣子，有人稱其為"勺子星",一般叫做北斗七星；仙后座的5顆主要??亮星組成拼音字母“W”的樣子。這兩個星座，可以幫助我們找到北極星。

如果要利用大熊座找到北極星，需要先找到北斗七星斗勺最外邊的兩顆星——天樞和天璇，用假想的線把它們連起來，并由天璇朝著天樞的方向延長約5倍遠的距離，就能碰到一顆亮星，這就是北極星。那部分天空，只有北極星這么一顆比較亮的星，所以很容易找到。利用仙后座找到北極星：仙后座的5顆主要亮星中，有3顆比較亮，順著這3顆的中間一顆和它前面的一顆小星，向前延長3倍多的距離，便是北極星的位置。

對于北半球中緯度地區的人來說，到了春天，天黑后不久，北斗七星在東北方向，仙后座在西北方向；5月—6月，天黑后不久，?北斗七星出現在頭頂附近，仙后座則在正北地平線附近。在其他月份，當仙后座在東北方向和頭頂附近時，就輪到北斗七星在西北和正北地平線附近了?。在中國黃河流域以北的地區，?一年四季都可以看到這兩個星座同時出現在天空中；在長江流域以南的地區，有時只能看到其中的一個，?一個星座在頭頂附近時，另外一個正在北方地平線以下，所以就無法看見。

專業觀測

使用極地探測器定位北極星，并使用便星象儀通過赤道山的分劃線觀察，可以得到北極星在一天中非常靠近天極的運動的線索。標線的中心有一個十字，代表大圓中心的天體旋轉軸。北極星的位置將位于大圓周邊的小圓內。使用標線來極軸對齊瞄準鏡，安裝座將在赤緯軸和赤經軸上有設置圓圈，可以通過移動兩個軸以匹配來在這些設置圓圈上設置日期和時間，通過標線查看并調整位置讓北極星進入小圓圈。

重大事件

應用與價值

北極星幾乎一動不動，因為它直接位于地球自轉軸的“上方”。正因為如此，它是一個極好的固定點，可以從中進行天體導航和天體測量的測量。航海者在海上航行時，經常根據北極星來定方向，或者根據北極星的高度來確定自己的船位。希臘航海家皮西亞斯 (Pytheas ) 描述公元前320年，天極上沒有恒星。然而，作為靠近天極的較亮恒星之一，北極星至少從古代晚期就被用于導航。并被斯托巴烏斯（5 世紀）描述為 ?ε? φαν?? (埃伊帕內斯 )“始終可見” 。這顆星已用于導航多年，未來仍將繼續發揮作用。由于春分點的進動，北極星將慢慢遠離天極，另一顆恒星將取代它的位置。

北極星也可以作為有用的導航輔助工具來確定北方地平線的緯度。據說地平線到北極星的角度與你所在的緯度相同。航海家使用星盤等儀器來計算星星相對于地平線和子午線的位置。納撒尼爾·鮑迪奇 (Nathaniel Bowditch) 1802 年出版的《美國實用航海家》一書中提到了它，并將其列為導航明星之一。北極星距自轉極點0.75°（月盤的1.4倍），因此圍繞極點繞直徑1.5°的小圈旋轉。每個恒星日中只有兩次北極星能夠準確確定真正的北方位角；其余時間，它會稍微向東或向西移動，必須使用表格或粗略的經驗法則來校正方位。最佳近似值是使用大熊座“北斗七星”星座的前緣作為參考點制作的。前緣（由天樞和磁力星定義）以鐘面為參考，北極星的真實方位角針對不同的緯度計算出來。

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