天象儀的發展及在科普場館中的應用研究

李艷濤

（北京天文館，北京100044）

天象儀和天文館在英文中是同一個單詞planetarium，最初用來稱呼一種能夠演示行星運動的機械裝置——行星儀；現在用來指一種光學投影儀器，它能夠把恒星、行星、衛星以及各種相關天文現象投影到半球狀的銀幕上，演示人造星空；安置天象儀的屋子，甚至整個建筑或機構，也叫作planetarium；在中文中，則分別譯為天象儀、天象廳和天文館。因此，經常有人說，世界上因為有了天象儀所以有了天文館。

1 天象儀的誕生

光學天象儀是用光學、電子和機械技術，真實地放映出肉眼可見的天文現象，因此也叫機械模擬光學投影式天象儀。

一直以來德國蔡司天象儀都是光學天象儀的“主角”，在第二次世界大戰以前它是唯一的品牌，第二次世界大戰之后，雖然出現了美國的斯匹茨天象儀和日本的五藤天象儀及美能達天象儀等其他品牌，但是其“主導”地位并沒有改變，直到今天仍然是這樣。

天象儀發明于1923 年，嚴謹的德國人鮑爾斯菲爾德憑借其豐富的想象力，依托德國堅實的機械和光學實力，發明了可以演示真實星空的天象儀。第一架蔡司天象儀由一個直徑50 cm 的恒星球和一組放映日月行星的籠架組成。恒星球上有31 個放映鏡頭，可以放映出4 500 顆恒星。球心是一個500 W 的放映燈泡。通過31 張星片，就像幻燈片一樣，把31 個區域的星星投射到天幕上組成完整的星空。從1923年鮑斯菲爾德發明天象儀到1939 年美國匹茲堡天文館誕生，這短短的16 年期間，就有27 臺蔡司天象儀交付使用。此時的天象儀，已經不僅僅是博物館中的一件展品，它已經發展成為一個傳播天文學知識、歷史和文化的中心，天象儀和天文館已經從德國的耶拿走向了世界。

2 天象儀與北京天文館

早在1925 年，一名在德國留學的北大學生在《東方雜志》發表了題為《新發明之天文儀器》的文章。文中首次介紹了蔡司天象儀誕生的簡要過程，并描述了蔡司Ⅰ型設備的觀看體驗。此應是蔡司天象儀出現在中國報刊中的最早記錄，也是中國人參觀蔡司天象儀的最早記錄。

1929 年，《學生雜志》的實際負責人邵子風發表《北極星的出沒及原因》一文，作者用千余字介紹了蔡司天象儀的簡單構造及功能并配圖5 幅。這篇文章不但首次向中國讀者披露了蔡司天象儀的圖片，同時也較為詳細地介紹了蔡司天象儀的相關信息。

1931-12-23，在南京舉行的中國天文學會第九屆年會上，中國近現代天文事業的奠基人高魯作了題為《假天——就是一架天象儀》的演講，將蔡司天象儀介紹給國內的天文界同仁。隨后，天文學家張鈺哲也在《科學》雜志上發表長文《假天》。至此，蔡司天象儀被正式介紹給中國的公眾，其中文名稱、功能和詳細結構部件也隨之在中國發表。

1923—1949 年間，高魯等近代天文學家，以及北京古觀象臺的工作人員都曾呼吁在中國引進光學天象儀，建立一座天文館。但由于當時的特殊國情，始終未能實現。然而，天文界人士一直沒有放棄在國內建立天文館的設想，經過李元、張鈺哲等人的不懈努力，在新中國政府與中國科學院的支持下，中國大陸第一座天文館——北京天文館于1957 年正式對外開放，天文學家陳遵媯任館長，中國觀眾從此可以在國內觀看蔡司天象儀的表演。

3 天象儀在北京天文館的變遷

北京天文館天象廳作為中國最早建設的天象廳，也是中國大陸地區最大的地平式天象廳，自1957-09-29 開館以來，前后一共使用過3 臺大型的光學天象儀。

第一臺是耶拿蔡司生產的第二代宇宙投影天象儀，型號為UPP 23/2 型。它是二戰后繼斯大林格勒天文館（UPP 23/1S型）、哥白尼天文館（UPP 23/2 型）之后，耶拿蔡司生產的第三臺大型光學天象儀。因此，北京天文館也就成為了二戰后建立的第三座大型天文館。

第二臺是20 世紀70 年代由當時的北京工業學院、北京光學儀器廠、北京電源控制設備廠和北京天文館聯合研制的國產大型天象儀。該天象儀從1976—2007 年在北京天文館連續服役31 年，接待了2 000 多萬觀眾，成為了一代人的集體記憶。該國產天象儀的主要特點就是能夠表演黃道上的二十四節氣以及恒星天空中的三垣二十八宿，反映出了中國人的觀星視角。

第三臺是卡爾蔡司Universarium IX 型光學天象儀，它是整個天象廳的心臟，能夠逼真地還原地球上肉眼可見的9 000 顆左右恒星，投影星空的質量和真實星空的感覺一致，恒星的閃爍、星點顏色感覺真實自然，為觀眾帶來最真實的星空體驗。該光學天象儀演示的全天恒星位置以國際通用星表為基礎，與實際位置沒有可察覺偏差，星板上恒星位置偏差小于1 μm；光源采用2 個功率為400 W 的普通弧光燈，以保證系統能運行在一個安靜和低熱的環境中；在23 m 天象廳中單獨使用Universarium IX 光學天象儀的情況下，其亮度可以達到150 勒克斯以上。投影部分包括恒星球和行星投影器，可以演示天體的基本視運動，包括周日運動和周年運動。恒星球可以投影銀河、仙女座大星云、大小麥哲倫星系、鬼星團、畢星團以及天狼星、老人星、牛郎織女星等知名亮星；顯示全天88 星座連線、圖像和中文名稱；顯示基本天文坐標系統，包括赤道、地平、黃道及其刻度值等。行星投影器用來演示太陽、月球和主要行星的視運動；獨立演示不同類型的日食、月食；逼真還原水星逆行、金星逆行等平時難以觀測到的天文奇觀。蔡司Universarium IX 型光學天象儀自2008 年投入使用以來，憑借逼真的星空還原效果，備受觀眾喜愛。

天象儀是幫助人們認識星空了解宇宙的一個工具，其自誕生到如今已近百年，歷經數次科技革新。然而，無論天象儀怎樣變革，其所要表現的最本質的概念依舊是燦爛的星空，沒有了星空，一起都無從談起。

4 天象儀的應用探討

4.1 “現場秀”式光學天象節目探索

目前，中國所有的科技場館球幕影院都是以播放球幕影片為主，研究探索“現場秀”式光學天象節目可以拓寬球幕影院的應用范圍，挖掘球幕影院的最大科普功效。“現場秀”式光學天象節目可以按照學齡前兒童、小學生、中學生、大學生及一般觀眾等不同年齡段進行細分，使得科普內容更具有針對性；另外，“現場秀”式光學天象節目可以根據社會熱點或重要天文現象隨時調整內容，使得每個節目都具有唯一性，達到節目常換常新的效果，有利于科普宣傳。

4.2 回放式光學天象節目制作

以北京天文館蔡司天象儀的Unipost 系統為例，其既可以通過手動面板操作，也可以使用PC 鍵盤啟動所有控制命令。更重要的是，蔡司天象儀支持直接創建Cue 文件，按照天象節目劇本進行指令編輯，再通過設置固定時間和相對時間將各種指令進行串聯，形成完整的按照時間排序的節目指令段。除此之外，蔡司天象儀最新的Skycontrol 控制系統可以自動識別SMPTE 時間碼，因此可以通過讀取時間碼跟天象廳的其他多個不同設備同步協作，進而制作出各種回放式光學天象演示節目。

4.3 光學天象儀與數字天象系統結合的天象節目研究

一般意義上認為，光學天象儀能夠給觀眾提供更好的觀星體驗，而數字天象系統則可以演示更豐富的節目內容和更強烈的視覺沉浸感。各系統之間可以通過串口信號進行通信，實現光學天象、數字天象以及激光系統的協同。在天象節目創作過程中，如何巧妙地調用各個系統使其發揮出自身優勢，將成為新型天象節目創作的一個難點。

5 結語

目前，國內的科普場館球幕影院多是以播放回放式節目為主，對于天象儀的應用研究較少，究其原因就是對天象儀的功能定位模糊以致找不到合適的切入點。

相比數字天象節目而言，“現場秀”式光學天象節目更能調動觀眾積極性，觸動人們內心深處對于美好星空的向往。本質上，天象儀的作用應該類似于圖書館而非電影院，其核心在于對各階段學校教育的補充以及對青少年天文學的啟蒙。科普場館需要利用天象儀架設起公眾與璀璨星空之間的鵲橋，傳播科學精神，啟發天文夢想。