Основы практической астрономии и небесная сфера

Небо как система координат

Звёзды находятся на разных расстояниях, но наблюдателю кажутся нанесёнными на поверхность огромной сферы. Небесная сфера — воображаемая сфера произвольного радиуса с центром в наблюдателе, на которую проектируют положения небесных объектов. Это геометрическая модель направлений, а не физическая оболочка вокруг Земли.

Вертикаль задаёт зенит над наблюдателем и надир под ним, горизонт делит видимую и невидимую половины. В горизонтальной системе положение задают высотой над горизонтом и азимутом. Эти координаты зависят от места и времени наблюдения.

Экваториальная система связана с вращением Земли: склонение похоже на широту, прямое восхождение — на долготу. Координаты далёкой звезды меняются медленно и удобны для каталогов и наведения телескопов.

Созвездие — участок небесной сферы с установленными границами; похожие на рисунок звёзды обычно находятся на разных расстояниях и не образуют общую физическую систему. Большая Медведица помогает найти Полярную звезду, а яркий Сириус относится к Большому Псу. Планеты медленно меняют положение среди звёзд, а их петлеобразное видимое движение объясняется относительным движением Земли и планеты. Переход от геоцентрического описания к гелиоцентрическому у Коперника, законы Кеплера и тяготение Ньютона связали наблюдения неба с общей механикой.

Наблюдатель в центре небесной сферы; показаны горизонт, зенит, направление на светило и его угловая высота над горизонтом.

Суточное и годичное движение

Видимое суточное вращение неба с востока на запад объясняется вращением Земли в противоположную сторону. Небесный полюс лежит около продолжения земной оси, а высота полюса над горизонтом приблизительно равна географической широте наблюдателя. Такое описание является примером относительности движения.

Годичное движение Солнца среди звёзд связано с обращением Земли по орбите. Наклон земной оси к плоскости орбиты вызывает смену сезонов и изменение длительности дня, а не заметное изменение расстояния до Солнца. Фазы Луны определяются освещением её половины и взаимным расположением Солнца, Земли и Луны; тень Земли нужна только для лунного затмения.

Угловые измерения и расстояния

Угловой диаметр показывает видимый размер, но без расстояния не задаёт истинный. Малый угол $\theta$ в радианах связывает размер $D$ и расстояние $r$: $\theta \approx D/r$. В одном градусе $60$ угловых минут, в минуте $60$ угловых секунд.

Годичный параллакс — половина углового смещения близкой звезды относительно далёкого фона при наблюдении с Земли из противоположных точек её орбиты. Если параллакс $p$ выражен в угловых секундах, расстояние в парсеках равно:

Парсек — расстояние, с которого радиус земной орбиты виден под углом одну секунду; $1\text{пк}\approx 3,26$ светового года. Параллакс служит первой ступенью шкалы космических расстояний.

Телескоп и наблюдение

Телескоп собирает больше света и улучшает угловое разрешение. Для круглого объектива дифракционный предел приблизительно равен:

Больший диаметр $D$ позволяет различать более близкие детали, но атмосферная турбулентность размывает изображение. Космические телескопы избегают атмосферы, наземные используют адаптивную оптику и объединение сигналов нескольких инструментов.

Наблюдение планируют по координатам, времени восхода, высоте над горизонтом и освещённости неба. Даже самый большой телескоп измеряет фотоны, пришедшие в прошлом: взгляд на объект в ста световых годах показывает его состояние сто лет назад.