Небесная сфера

Как точно описать положение светила на небе? Куда направить взгляд или телескоп, чтобы увидеть то, что интересует наблюдателя?
Лучше всего задать положение числами. Математики давно применяют этот способ, известный как метод координат. Допустим, нужно описать положение точки на плоскости. Выберем на этой же плоскости две пересекающиеся (лучше всего под прямым углом) прямые и примем определённый отрезок за единицу длины. Данные прямые называются координатными осями, а точка их пересечения — началом координат. Теперь проведём через нашу точку две прямые, параллельные координатным осям. Каждая из них пересечёт одну из осей. Измерим длины отрезков от начала координат до точек пересечения, присвоив им знак «плюс» или «минус» в зависимости от положения относительно начала координат. Эти числа и будут координатами точки. Разные точки обязательно имеют разные координаты. Любой паре чисел, выбранных в качестве координат, соответствует одна точка на плоскости.
Подобную систему координат можно ввести и в пространстве. Там положение точки характеризуется уже тремя числами, выражающими расстояния до трёх взаимно перпендикулярных плоскостей.
Однако по взаимному положению звёзд на небе нельзя узнать, сколько метров (или километров, или световых лет) от одной звезды до другой. Две звезды могут находиться очень далеко друг от друга, но примерно в одном направлении от Земли — и тогда мы увидим их на небе рядом. Значит, именно направления описывают видимое расположение светил. Числовую оценку направлений производят при помощи углов.
Представим два луча, исходящие из одной точки (глаза наблюдателя) в направлении двух разных светил на небе. Угол, заключённый между этими лучами, называется угловым расстоянием между светилами. Угол маленький — светила рядом; угол большой — они на разных участках небосклона. Существуют такие системы координат, в которых положение объекта характеризуют не линейные величины, а угловые. Например, географические координаты — широта и долгота — являются углами, определяющими положение точки на поверхности земного шара. Нечто подобное можно ввести и на небе.
Люди давно отказались от представления о небе как о куполе, украшенном светилами и окружающем обитаемую землю. Однако для описания взаимных положений и видимых движений светил очень удобно разместить все светила на внутренней поверхности воображаемой сферы достаточно большого радиуса, а самого наблюдателя — в центре этой сферы. Её назвали небесной сферой и ввели на ней системы угловых координат, аналогичных географическим.

ЗЕНИТ, НАДИР, ГОРИЗОНТ

Чтобы отсчитывать координаты, нужно иметь какие-нибудь точки и линии на небесной сфере. Введём их. Возьмём нитку и привяжем к ней грузик Взявшись за свободный конец нитки и подняв грузик в воздух, получим отрезок отвесной линии. Продолжим его мысленно до пересечения с небесной сферой. Верхняя точка пересечения — зенит — будет находиться у нас прямо над головой. Нижняя точка — надир — наблюдению недоступна.
Если пересечь сферу плоскостью, в сечении получится окружность. Максимальный размер она будет иметь тогда, когда плоскость пройдёт через центр сферы. Эта линия так и называется — большой круг. Все остальные круги на небесной сфере — малые. Плоскость, перпендикулярная отвесной линии и проходящая через наблюдателя, пересечёт небесную сферу по большому кругу, именуемому горизонтом. Зрительно это то место, где «земля с небом сходится»; мы видим только ту половину небесной сферы, которая располагается над горизонтом. Все точки горизонта отстоят от зенита на 90°.

ПОЛЮС МИРА, НЕБЕСНЫЙ ЭКВАТОР, НЕБЕСНЫЙ МЕРИДИАН

Проследим, как перемещаются звёзды по небу в течение суток. Лучше всего это сделать фотографически, т. е. направить фотокамеру с открытым затвором на ночное небо и оставить так на несколько часов. На фотографии будет хорошо заметно, что все звёзды описывают на небе окружности с одним и тем же центром. Точка, соответствующая этому центру, называется полюсом мира. В наших широтах над горизонтом располагается северный полюс мира (рядом с Полярной звездой), а в Южном полушарии Земли подобное движение совершается относительно южного полюса мира. Ось, соединяющая полюсы мира, именуется осью мира. Суточное движение светил происходит так, как если бы вся небесная сфера вращалась как одно целое вокруг оси мира в направлении с востока на запад. Это движение, разумеется, мнимое: оно является отражением истинного движения — вращения Земли вокруг своей оси с запада на восток.
Проведём плоскость через наблюдателя перпендикулярно оси мира. Она пересечёт небесную сферу по большому кругу — небесному экватору, который делит её на два полушария — северное и южное. Небесный экватор пересекается с горизонтом в двух точках. Это точки востока и запада. А большой круг, проходящий через оба полюса мира, зенит и надир называется небесным меридианом.
Он пересекает горизонт в точках севера и юга.

СИСТЕМЫ КООРДИНАТ НА НЕБЕСНОЙ СФЕРЕ

Проведём большой круг через зенит и светило, координаты которого хотим получить. Это — сечение небесной сферы плоскостью, проходящей через светило, зенит и наблюдателя. Такой круг называется вертикалом светила. Он, естественно, пересекается с горизонтом. Угол между направлениями на эту точку пересечения и на светило показывает высоту (h) светила над горизонтом. Она положительна для светил, располагающихся над горизонтом, и отрицательна для находящихся под горизонтом (высота точки зенита всегда 90°). Теперь отсчитаем вдоль горизонта угол между направлениями на точку юга и на точку пересечения горизонта с вертикалом светила. Направление отсчёта — от юга к западу. Этот угол называется астрономическим азимутом (А) и вместе с высотой составляет координаты светила в горизонтальной системе координат.
Иногда вместо высоты используют зенитное расстояние (z) светила — угловое расстояние от светила до зенита. Зенитное расстояние и высота в сумме составляют 90°.
Знание горизонтальных координат светила позволяет найти его на небе. Но большое неудобство заключается в том, что суточное вращение небесной сферы приводит к изменению обеих координат со временем — достаточно быстрому и, что самое неприятное, неравномерному. Поэтому часто применяют системы координат, связанные не с горизонтом, а с экватором.
Снова проведём большой круг через наше светило. На этот раз пусть он проходит через полюс мира. Такой крут называется кругом склонений. Отметим точку пересечения его с небесным экватором. Склонение (?) — угол между направлениями на эту точку и на светило — положительно для северного полушария небесной сферы и отрицательно для южного. Все точки экватора имеют склонение 0°. Теперь отметим две точки небесного экватора: в первой он пересекается с небесным меридианом, во второй — с кругом склонения светила. Угол между направлениями на эти точки, отсчитанный от юга к западу, именуется часовым углом (t) светила. Его можно измерить как обычно — в градусах, но чаще он выражается в часах: вся окружность делится не на 360°, а на 24 ч. Таким образом, 1 ч соответствует 15°, а 1° — 1/15 ч, или 4 мин.
Суточное вращение небесной сферы уже не влияет катастрофически на координаты светила. Светило движется по малому кругу, параллельному небесному экватору и называемому суточной параллелью. При этом угловое расстояние до экватора не меняется, значит, склонение остаётся постоянным. Часовой угол возрастает, но равномерно: зная его значение в какой-либо момент времени, нетрудно рассчитать его для любого другого момента.
Тем не менее составить списки положений звёзд в данной системе координат нельзя, ведь одна координата всё же меняется со временем. Для получения неизменных координат нужно, чтобы система отсчёта перемещалась вместе со всеми объектами. Это возможно, так как небесная сфера в суточном вращении движется как единое целое.
Выберем на небесном экваторе точку, участвующую в общем вращении. В этой точке нет никакого светила; в ней бывает Солнце один раз в году (около 21 марта), когда оно в своём годовом (не суточном!) движении среди звёзд перемещается из южного небесного полушария в северное (см. статью «Путь Солнца среди звёзд»). Угловое расстояние от этой точки, называемой точкой весеннего равноденствия до круга склонений светила, отсчитанное по экватору в направлении, противоположном суточному вращению, т. е. с запада на восток, называется прямым восхождением (?) светила. Оно не меняется при суточном вращении и вместе со склонением образует пару экваториальных координат, которые и приводятся в различных каталогах, описывающих положения светил на небосводе.
Таким образом, чтобы построить систему небесных координат, следует выбрать некоторую основную плоскость, проходящую через наблюдателя и пересекающую небесную сферу по большому кругу. Затем через полюс этого круга и светило проводится ещё один большой крут, пересекающий первый, и в качестве координат принимаются угловое расстояние от точки пересечения до светила и угловое расстояние от некоторой точки на основном круге до той же точки пересечения. В горизонтальной системе координат основной плоскостью является плоскость горизонта, в экваториальной — плоскость небесного экватора.
Существуют и другие системы небесных координат. Так, для изучения движений тел в Солнечной системе применяется эклиптическая система координат, в которой основной плоскостью служит плоскость эклиптики (совпадающая с плоскостью земной орбиты), а координатами — эклиптическая широта и эклиптическая долгота. Имеется ещё и галактическая система координат, в ней в качестве основной плоскости принята средняя плоскость галактического диска.