拱極星（Circumpolar stars）是指在特定緯度處觀測時，圍繞天極永不落下的恒星，其數量及可見性取決于觀測者的緯度。拱極星座則指的是包含這些拱極星的星座，例如，對于北緯以上的觀測者而言，大熊座、小熊座、仙王座、仙后座等均為終年可見的拱極星座。
拱極星和拱極星座在古代和近代都起到了重要的作用。在四大文明古國，國王被視為神明，死后有權加入永恒不落的拱極星，而拱極星則被視為國王升天的載體。在希臘神話中，阿爾甫斯（Alpheus）和阿瑞圖薩（Arethusa）的故事則暗示了古代海員利用拱極星進行緯度航行的導航。
近代研究中，時間方位角和高度-方位角公式的修改和簡化，使得航海員可以通過拱極星的時角和高度獲取方位角信息，大大簡化了航海導航。而古埃及埃及金字塔的建造日期也被推測是通過觀測接近的拱極星同時凌日來確定北方向，進一步證明了拱極星在歷史和科學研究中的重要性。
定義
位于某一特定緯度的觀測者所看到的圍繞在天極周圍永不落下的恒星被稱為拱極星，拱極圈的大小取決于觀測者所在緯度，因為天極的高度（也稱仰角）等于觀測者的緯度。例如，在緯度處觀測，天極的高度是，在距離天極以內的所有恒星都是拱極星。同樣，在距離相反天極的區域內也有一塊相應的區域是永遠不可見的。在極點處觀測，所有可見恒星都是拱極星。在赤道處觀測，則沒有任何拱極星。
由于地球自轉，拱極星與天球一起圍繞著南北天極轉動，當一顆恒星的赤緯大于時，它的高度為一個正數，此時對于觀測者來說，這顆恒星就是永不落下的拱極星。舉例來說，對于北半球的觀測者，天空中的拱極星全年圍繞北天極旋轉；而對于南半球的觀測者則剛好相反，所有拱極星都圍繞南天極旋轉。
相關概念
天球概念
天球是一個抽象概念，用于描述天體的相對方位。在此概念中，星辰看似固定在天球上，共同東升西落，仿佛整個天球均勻地由東向西做周日旋轉（天旋）。然而，這其實是地球由西向東自轉（地轉）的現象反應。天球的構造以地球為中心，包含北天極、南天極、赤經線、赤緯線、黃道和春分點，其中天極位于地球的極點之上，天赤道則直接對應地球的赤道。雖然天球看起來每天都在繞天極旋轉，但這實際上是地球自身軸旋轉的結果。雖然天球看起來每天都在繞天極旋轉，但這實際上是地球自身軸旋轉的結果。站在地球表面的觀測者一次只能看到天球的一半，這一半由觀測者的地平線界定。觀測者所在位置的正上方是天球的頂點，而正下方則是被稱為天底的點。
天旋與地轉是同一件事的兩種表述。例如，站在其他天體上的人（如登上月球的宇航員）就能直觀地觀察到地球在自轉。為了更形象地展示星空的動態，人們曾經制造了天球儀，這種模型能夠通過天體在天球面的投影位置及其變化來表示天體的視方位、分布及運動規律?；诖?，人們用球面三角學建立了最早的天文學分支——球面天文學，這是天體測量學的起源。
天球作為一個天文學概念，具有一些獨特的性質。首先，雖然天球半徑是數學的無限大，但在實際應用中可以用任意值替代。其次，從天球中心到天體的直線在天球面上的投影點代表了天體的位置。通常，天球中心一般選為觀測點、地球中心或太陽中心（太陽系質心），分別對應著“站心天球”，“地心天球”或“日心天球”。此外，從地面不同觀測點看向同一遠方天體的視線方向是互相平行的，它們在天球面上交于同一點。對于很遙遠的天體，這是足夠好的近似，但對于較近天體的精確定位而言，則需要考慮不同觀測點的定位差別。最后，天球上兩點間的大圓弧大小用角距表示，也就是對天球中心的張角，而不是線距離。
天球基本點與基本圈
平面與天球的交線都是圓。如果平面經過球心，則圓的直徑最大（大圓）；如果平面不經過球心，則圓的直徑較?。ㄐA）。球面上兩點間的連線以大圓弧為最短，而小圓弧則較長。大圓弧的大小常以從球心到大圓弧兩端點的兩個半徑所夾角度（圓心角）表示，也稱為焦距。球面上兩個大圓弧之間的夾角（球面角）用兩個大圓平面的二面角來度量。過球面上三點的三個大圓?。ā斑叀保﹪汕蛎嫒切?，三個邊和三個內角都以角度表示，如下圖所示。
如同平面解析幾何需要選取原點和坐標軸一樣，可以根據方便和需要選取天球上的基本點（原點）和基本圈（大圓），約定坐標計量的方向和范圍，建立天球坐標系，進而觀測計量天體視方位，一般以兩個角度為坐標來表示天體的方位。
天頂、天底與地平圈
如圖所示，取觀測點為天球中心，過點作該地鉛垂線（即重力方向），交天球于和，位于觀測者頭頂的最高點稱為天頂，與相對的稱為天底。通過中心作垂直于的平面，其交于天球的大圓稱為（真）地平圈或數學地平。天頂與地平圈是等價的，只要一個確定了，另一個也就唯一地確定了。但應注意，地平圈與視地平線是兩個不同的概念，視地平線是高于地表的人眼視線與周圍地表（不很規則）的切線——投影到天球上也是“小圓”，其圓心偏離天球中心。
天赤道與天子午圈
通過上述天球中心作平行于地球自轉軸的直線，稱為天軸，它交于天球和點，這兩點對應于地球的北極和南極洲，稱為北天極，稱為南天極。通過天球中心作垂直于天軸的平面稱為天赤道面，它交于天球的大圓稱為天赤道。北天極與天赤道是等價的，只要一個確定了，另一個也就唯一地確定了。顯然，天赤道平行于地球赤道面。相對于遙遠的恒星來說，地球半徑甚至公轉軌道半徑都顯得微小而可忽略，因而地球表面觀測的星空就如同在地心觀測一樣，但轉動仍存在，因而仍能觀測到同樣的天體視運動。通過天球中心、天頂、北天極作一個平面，它與天球相交的大圓稱為天子午圈。天底和南天極都在子午圈上，而觀測點的地球子午面與天球交于天子午圈。
天卯酉圈
通過天頂、東點、西點作一個平面，它與天球相交的大圓稱為天卯酉圈。顯然，天底也在天卯酉圈上。和又分別稱為卯圈和酉圈。地平圈、天子午圈和天卯酉圈都是兩兩相互垂直的大圓。
拱極星座
拱極星座是在地球上某一特定位置觀測時圍繞在天極周圍永遠不會消失在地平線之下的星座。從極地觀測時，赤道以內所有可見星座均為拱極星座。從赤道觀測時，不存在拱極星座。從北半球中緯度（約北緯）觀測時，拱極星座可能包括：大熊座、小熊座、仙后座、仙王座等。
大熊座（Ursa Major）
大熊座是北半球天空中一個巨大而突出的星座，其座內北斗七星是在北天排列成斗勺形的七顆亮星（天樞、天璇星、天璣、天權、玉衡、開陽、搖光），它們構成了大熊的臀部和尾巴，十分易于辨認。對于北緯以上緯度地區來說，北斗七星的大多數恒星都是拱極星。大熊座中最亮的兩顆星即天樞（大熊座）和天璇星（大熊座），這些“北斗指向標”為觀測者們提供了一個寶貴的參照物，因為這兩顆星之間的弧線是一條近乎精確的經線，即南北線。這條線從天璇星起始，經天樞而直指大約以外的極星。
小熊座（Ursa Minor）
小熊座排在88星座的第56位，其中等以上的亮星僅有18顆。7顆比較亮的星連成了一個類似于北斗七星的形狀，稱為“小北斗”。對于居住在北半球中緯度的人們來說，它是一年四季都能看到的拱極星座。小熊座的主要恒星組成了一頭小熊的形狀，類似于更大更亮的大熊座，但它的“把手”朝著相反的方向彎曲。小熊座尾巴尖上的那顆星叫做勾陳一（小熊座），是一顆造父變星，視星等約為等。它距離北天極不到，具有定位北極點的功能，故稱“北極星”，自古以來一直被用于方向導航。
仙后座（Cassiopeia）
仙后座是一個中等大小的星座，按照大小排列位居25位，與仙女座、蝎虎座、仙王座、鹿豹座和英仙座為鄰。仙后座內有3顆二等星，3顆三等星，其中仙后座的5顆主星分別是王良四（仙后座）、王良一（仙后座）、策（仙后座）、閣道二（仙后座）、閣道三（仙后座），這些主要亮星在北天連成一個巨大的或的造型。仙后座與仙王座一同環繞在北極星附近，對于北半球中緯度的觀測者而言，它們全年都不會落下。當冬季北斗七星轉移到北部地平線附近時容易被地面物遮擋，此時仙后座也能夠作為協助確定天罡星位置的工具。
仙王座（Cepheus）
仙王座也是一個中等大小的星座，按星座大小排列位居第27位，位于仙后座與天龍座之間，并不特別突出。仙王座的輪廓由7顆不太亮的主星組成，形狀類似一個“鉛筆頭”。仙王座亮度最高的主星為天鉤五（仙王座），視星等約為等，由于地球自轉軸的歲差運動，約5500年后它將成為指示北方的“北極星”。仙王座中另一顆著名的主要亮星則是造父一（仙王座），這顆黃色的超巨星是造父變星的名稱來源，它距離地球不到1000光年，亮度在到等之間變化，周期約為一天零九個小時。這種變化是肉眼可見的。它同時也是一顆雙星，通過小型望遠鏡可以觀測到其藍白色的六等星伴星。仙王座與仙后座的緯度都非常高，因此對于北半球大部分觀測者而言，它們在天空中只有高度和方位的變化，因此也被劃分為永不下落的拱極星座。
觀測
觀測者能否看到特定的拱極星座，取決于他們所在的地理緯度。有些拱極星非常明亮，使用子午儀，甚至可以在白天的任何時間觀測到它們。秋季和冬季期間，中緯度地區每天有12小時到15小時的黑暗，此時能夠在天體中天觀測到亮度較低的拱極星。一年中的六個月里，可以在晚上5點到7點之間觀察到一系列特定的拱極星在它們的上中天或下中天經過經線，十二小時之后觀測同一批星體，它們會位于另一中天。通過這種方式，天文學家可以在一年內用一個儀器在上中天和下中天觀測到幾乎所有在極點范圍范圍內的七等星。
相關文化
在四大文明古國的舊王國時期，國王在他們的國家中占有重要的地位。他們被認為是活神，誕生于神圣的血脈，因此死后有權加入天空中永恒不落的拱極星。神王角色的概念被視為雙重和循環的，國王在天上和地下都擁有權威。這個想法反映在戴維斯（Davis）1977年的評論中，他描述了國王在死后如何重新進入神界并被賦予王權，就像他最初進入人世并獲得相似的權威一樣。埃及人將天空中一組在某一時間段中表現出類似拱極星性質的星星視為國王升天神話的載體，從埃及神話的角度來看，這樣一顆星星戰勝了死亡。在古埃及歷法中，每年五月初，織女一和天狼星會一起出現在地平線上。天狼星會在落下，標志著它開始進入冥界的旅程，在接下來的大約45天內不會再被看到。而與此同時，織女星會升起，開始了它表現為拱極星的時期。這顆明亮的星星在公元前2400年期間視星等約為等，希臘人將其視為偉大的俯沖禿鷲，負責將死者的靈魂帶往另一個世界。
在希臘神話中，阿爾甫斯是同名河流的河神，這條河流經伯羅奔尼撒的厄里斯和阿爾卡狄亞。他鐘情于林中仙子阿瑞圖薩，而阿瑞圖薩為了擺脫他，祈求阿爾忒彌斯（Artemis）的幫忙，阿爾忒彌斯便將她化作了一條溪流，阿爾甫斯看見后也變回河水與阿瑞圖薩的溪流匯合在一起。阿爾甫斯和阿瑞圖薩的神話實際上暗含了對青銅時代伯羅奔尼撒半島和西西里島之間緯度航行的描述，表明古代海員利用拱極星進行導航。通過找到特定緯度的最后一顆拱極星并測量其高度，水手們可以在航行中跟隨這顆拱極星的導航，以此來找到從伊利斯/麥塞尼亞到錫拉丘茲的路線。
應用
導航
天體的天文方位角被定義為從北方順時針計算的角度，即觀測者的子午面與通過觀測者和天體的垂直面之間的角度。然而，方位觀測的精度取決于測量角度的工作質量，因此按照以下三個類別進行分類：
其中，三階方位角對詳細的測量和導航能夠提供很大的幫助。過去的方位角測量方法包括時間方位角法和高度-方位角法。時間-方位角法是通過記錄計時器時間和水平圓讀數來推導出天體的時角，并解算出方位角。高度-方位角法是通過記錄接近的拱極星的水平和垂直圓讀數的交點的同時進行觀測來解算方位角。然而，這些方法在計算過程中存在一些困難和復雜性，并且需要使用大量的對數表和繁瑣的計算步驟。在近代研究中，現有的時間-方位角和高度-方位角公式被修改和簡化，通過一個簡單的圖表，可以在不需要復雜計算的情況下借助拱極星的時角和高度獲取方位角信息，為航海導航提供了很大便利。
時間測量
位于吉薩的古埃及金字塔大約建于公元前三千年紀中期左右，但它們的建造日期從未被明確。這一時期的年表是通過現存的國王名單及其統治年限重建的，但這些名單很少見，內容殘缺不全，并包含已知的不一致和錯誤。因此，對于那個時期（舊王國）的現有年表只能精確到約年，這個數字目前通過放射性碳定年無法改進。但利用舊王國埃及金字塔朝向的趨勢可以證明，埃及人通過觀測兩顆接近的拱極星同時凌日將金字塔向北對齊。對這些星體的歲差進行建模可以得到建造大金字塔的起始日期，并且使這一日期準確到約年，從而為舊王國年表提供了一個錨點。
參考資料 >
拱極星座：全年可見的星座.StarWalk2.2024-05-22
The Constellations.International Astronomical Union.2024-04-20