Układ współrzędnych astronomicznych

Układ współrzędnych astronomicznych – sferyczny układ współrzędnych stosowany w astronomii. Umożliwia jednoznaczne określenie położenia obiektu na sferze niebieskiej przez podanie jego współrzędnych. Zdefiniowanie układu sprowadza się do ustalenia podstawowego koła wielkiego i ustalenia punktu na tym kole, od którego liczy się pierwszą współrzędną. Oś układu (tj. prosta prostopadła do koła podstawowego) przecina sferę niebieską w punktach nazwanych biegunami, natomiast południk przechodzący przez punkt początkowy jest nazwany południkiem początkowym.

Punkt Wagi to jeden z dwóch punktów przecięcia się ekliptyki z równikiem niebieskim, punkt równonocy jesiennej. Moment przejścia Słońca przez punkt Wagi jest początkiem astronomicznej jesieni. Wskutek precesji osi Ziemi punkt Wagi przesuwa się po ekliptyce dokonując pełnego obiegu w ciągu 26 tysięcy lat. Obecnie znajduje się w gwiazdozbiorze Panny.

Deklinacja, oznaczana symbolem δ, to jedna ze współrzędnych określających położenie ciała w obydwu układach równikowych: równonocnym i godzinnym. Definiujemy ją jako kąt pomiędzy kierunkiem poprowadzonym od obserwatora do obiektu a płaszczyzną równika niebieskiego. Obiekty położone na północnej półkuli nieba mają deklinację dodatnią (od 0° do 90°), a na południowej ujemną (od 0° do -90°).

Pierwszą współrzędną jest kąt zawarty między południkiem początkowym a południkiem przechodzącym przez dany obiekt, natomiast drugą – kąt zawarty między płaszczyzną koła wielkiego a kierunkiem na dany obiekt.

Spośród najczęściej używanych układów współrzędnych astronomicznych dwa są związane z pojęciami południka, horyzontu i równika niebieskiego. Są to: układ horyzontalny, w którym płaszczyzną podstawową jest płaszczyzna horyzontu, a kierunkiem podstawowym kierunek południa, i układ równikowy południkowy, dla którego płaszczyzna równika niebieskiego jest płaszczyzną podstawową, a kierunek południa – kierunkiem podstawowym. Współrzędnymi astronomicznymi w układzie horyzontalnym są azymut astronomiczny i wysokość astronomiczna, współrzędnymi astronomicznymi w układzie równikowym południkowym – kąt godzinny i deklinacja.

Kąt godzinny - współrzędna astronomiczna w układzie równikowym godzinnym, kąt dwuścienny zawarty pomiędzy płaszczyzną lokalnego południka i płaszczyzną koła godzinnego danego obiektu. Kąt godzinny odmierza się w kierunku zgodnym z dziennym ruchem sfery niebieskiej, przyjmuje wartości (0h, 24h) lub (0°, 360°).

Układ współrzędnych horyzontalnych – układ współrzędnych astronomicznych, w którym oś główną stanowi lokalny kierunek pionu, a płaszczyzną podstawową jest płaszczyzna horyzontu astronomicznego. Biegunami układu są zenit i nadir, których położenie na sferze niebieskiej ściśle zależy od współrzędnych geograficznych obserwatora oraz szybko zmienia się wraz z upływem czasu, tak więc współrzędne horyzontalne opisują jedynie chwilowe położenie ciała niebieskiego.

W czasie ruchu dziennego sfery niebieskiej gwiazdy przemieszczają się po równoleżnikach niebieskich – małych kołach leżących w płaszczyznach prostopadłych do osi świata; oznacza to, że deklinacja każdej gwiazdy w czasie ruchu dziennego pozostaje stała, a kąt godzinny rośnie. Wskutek ruchu dziennego ulegają również zmianie azymut astronomiczny i wysokość astronomiczna. Dlatego określając położenie gwiazdy na sferze niebieskiej w układzie horyzontalnym lub równikowym południkowym trzeba podawać jednocześnie czas obserwacji i miejsce obserwacji; to ostatnie dlatego, że położenie horyzontu i południka względem gwiazd na sferze niebieskiej zależy właśnie od miejsca obserwacji. Dlatego wprowadzone zostały takie układy współrzędnych astronomicznych, w których położenie obiektu nie ulega zmianie wskutek ruchu dziennego sfery niebieskiej i jednocześnie nie zależy od miejsca obserwacji. Warunek taki spełnia na przykład układ, w którym płaszczyznę podstawową stanowi równik niebieski, a kierunek podstawowy jest wyznaczony przez jakiś punkt na obracającej się sferze niebieskiej. Do określenia takiego punktu nie może jednak służyć położenie jakiegokolwiek obiektu astronomicznego, gdyż wskutek ruchu tego obiektu względem Ziemi jego położenie na sferze niebieskiej ulega zmianie. Dlatego stało się rzeczą konieczną określenie kierunku podstawowego w oparciu o dynamiczne właściwości ruchu Ziemi. Mianowicie, gdyby potraktować Ziemię jako kulę i zaniedbać oddziaływanie innych ciał Układu Słonecznego, wówczas kierunek osi obrotu Ziemi, a także płaszczyzna, w której odbywa się ruch Ziemi względem Słońca, nie ulegałaby zmianie. Tym samym punkty wspólne równika niebieskiego i ekliptyki (punkt Barana i punkt Wagi) byłyby stałe i mogłyby stanowić podstawę wyznaczenia kierunku podstawowego w poszukiwanym układzie współrzędnych. Wprawdzie czynione tu założenia nie są ściśle spełnione (Ziemia nie jest kulą, wpływ innych ciał układu nie może być zaniedbany), to jednak czynniki pominięte powodują bardzo powolny ruch osi Ziemi i płaszczyzny orbity Ziemi.

Azymut astronomiczny to kąt dwuścienny pomiędzy płaszczyzną południka niebieskiego a kołem wertykalnym przechodzącym przez interesujące nas ciało niebieskie.

Koło wielkie – największe koło, jakie można wpisać w kulę. Jego średnica jest równa średnicy kuli, a samo koło dzieli ją na dwie symetryczne połowy zwane półkulami.

Wzajemne położenie płaszczyzn ekliptyki i równika niebieskiego jest podstawą określenia dwu dalszych układów współrzędnych astronomicznych: układu równikowego równonocnego, w którym płaszczyzną podstawową jest płaszczyzna równika, a kierunkiem podstawowym – kierunek ku punktowi Barana, i układu ekliptycznego, w którym płaszczyzną podstawową jest płaszczyzna ekliptyki, a kierunkiem podstawowym – kierunek ku punktowi Barana. Współrzędnymi astronomicznymi w układzie równikowym równonocnym są rektascensja i deklinacja, w układzie ekliptycznym – długość i szerokość ekliptyczna. W wyniku precesji punkt Barana przesuwa się wzdłuż ekliptyki dokonując pełnego obiegu w ciągu 26 tysięcy lat, co sprawia, iż długość ekliptyczna wszystkich obiektów rośnie o około 50 sekund rocznie, a szerokość ekliptyczna pozostaje stała; w wyniku precesji zmieniają się także deklinacja i rektascensja wszystkich obiektów. Używa się także układu galaktycznego, w którym płaszczyzną podstawową jest płaszczyzna równika Galaktyki (płaszczyzna o największej gęstości materii w Galaktyce), a kierunkiem podstawowym – kierunek ku jądru Galaktyki; współrzędnymi astronomicznymi w tym układzie są długość i szerokość galaktyczna.

Układ współrzędnych godzinnych – układ współrzędnych astronomicznych, którego kołem podstawowym jest równik niebieski, a punktem początkowym – przecięcie lokalnego południka z tym równikiem. Biegunami układu są północny i południowy biegun niebieski. Koła wielkie przechodzące przez te bieguny nazywa się kołami godzinnymi.

Równik niebieski – Koło wielkie, którego płaszczyzna jest prostopadła do osi obrotu sfery niebieskiej. Jego płaszczyzna pokrywa się z płaszczyzną równika ziemskiego. Dzieli sferę niebieską na dwie równe części: północną i południową. W I i II układzie współrzędnych równikowych jest płaszczyzną podstawową od której mierzona jest deklinacja ciała niebieskiego.