Небесная сфера и системы отсчёта

Чтобы указать на объект в небе, нужна система координат — а их в астрономии несколько.

Небесная сфера — воображаемая сфера бесконечного радиуса с центром у наблюдателя, на которую мы проецируем все светила.

Зачем разные системы координат

Положение звезды можно задать по-разному в зависимости от того, что нам удобно. Если важно, где звезда относительно горизонта (видна ли она сейчас, высоко ли) — берём горизонтальную систему: высота над горизонтом и азимут. Если важно «паспортное» положение на небе, не зависящее от места и времени, — берём экваториальную систему: прямое восхождение (RA) и склонение (Dec). Эти две связаны через время и широту наблюдателя — этим мы займёмся в следующем разделе.

          Северный небесный полюс (NCP)
                 *
                / \
               /   \
   небесный   /     \
   экватор --+-------+--  (проекция земного экватора)
             \       /
              \     /
               \   /
                \ /
                 *
          Южный небесный полюс

Главные ориентиры

На небесной сфере есть фиксированные линии. Небесный экватор — проекция земного экватора. Эклиптика — путь Солнца по небу за год, наклонённый к экватору примерно на $23.44°$ (наклон земной оси). Точка, где Солнце пересекает экватор, двигаясь на север, — точка весеннего равноденствия, от неё отсчитывается прямое восхождение.

Система	Координаты	Привязана к
Горизонтальная	высота, азимут	горизонт наблюдателя
Экваториальная	RA, Dec	небесный экватор
Эклиптическая	долгота, широта	эклиптика
Галактическая	l, b	плоскость Млечного Пути

Как работает под капотом

Все эти системы — это просто разные «нулевые плоскости» и «нулевые направления» на одной и той же сфере. Перевод между ними — поворот системы координат, который выражается через синусы и косинусы. Поэтому астрономия так насыщена тригонометрией: каждый перевод координат — это применение формул сферической тригонометрии (аналог теоремы косинусов, но на сфере). Мы запишем эти формулы кодом в следующем разделе.

Частые ошибки

Путать высоту (angular height над горизонтом) и склонение (угол от небесного экватора) — это разные вещи.
Забывать, что горизонтальные координаты меняются каждую минуту (небо вращается), а экваториальные — практически постоянны.
Считать, что азимут везде отсчитывают одинаково: где-то от севера, где-то от юга. Всегда уточняйте соглашение.

Итог

Небесная сфера — удобная абстракция: все объекты «приклеены» к сфере.
Систем координат несколько, потому что разным задачам удобны разные привязки.
Перевод между системами — это сферическая тригонометрия, то есть синусы и косинусы.