Безоблачной ночью, лучше за городом, смотрим на небо, а там – как написал Ломоносов:

Открылась бездна звёзд полна;

Звёздам числа нет, бездне дна.

Как в этой целой бездне звёзд ориентироваться? Мы в рамках астрономии ищем закономерности движения небесных тел. Чтобы изучать их движение, нужно договориться, как задавать положение. Иначе как записать и передать другому, что вот эта светящаяся точка была вон там, а оказалась вон там?

Нужна система координат. Здесь удобнее всего будет сферическая система координат, в которой положение задается расстоянием до точки и направлением (то есть углами поворота от некого ориентира). Мы говорим: «Смотри, видишь вон ту яркую звезду? А вон там левее…» – это уже мы задали направление, пока без чисел. Можно чётко определиться с ориентиром и измерить углы, то есть как работать с направлениями – понятно (см. рис. 1).

Рис. 1. Пример сферической системы координат

А вот с расстоянием проблема, измерить расстояние до звезды сложно, но как-то ориентироваться на звёздном небе все равно нужно. Давайте пока не вдаваться в расстояния до звёзд: представим, что они все находятся от нас примерно на одном расстоянии. А из уроков геометрии вы знаете: если множество точек находятся на одинаковом расстоянии от центра, эти точки составляют сферу.

Возьмём сферу, поместим себя в её центр и будем проецировать небесные тела на эту сферу. Какого радиуса взять сферу? Не важно, любого большого – мы о нём не будем задумываться, мы будем измерять только углы. Такую модель назовём небесной сферой и будем работать с ней в сферической системе координат (без расстояний).

Небесный свод

Многие умеют находить на звёздном небе созвездие Большая медведица. Звёзды, которые его составляют, находятся на одном расстоянии от нас? Возьмём первые же две звезды (по яркости), Дубхе и Мерак. Первая находится от нас на расстоянии 124 св. лет, вторая – 79,7 св. года (см. рис. 1). Разброс, как видите, немалый. Но мы при взгляде на них этого не видим, мы считаем, что они изображают какую-то фигуру на плоскости. Поэтому естественна иллюзия, что все звёзды находятся от нас на одном расстоянии.

Рис. 1. Расстояние до звёзд Дубхе и Мерак. Звёзды одного созвездия находятся на разных расстояниях от Земли

Эта иллюзия даже привела к понятию «небесный свод»: в древности существовали представления, что небо представляет собой купол из какого-то твердого материала, в который звёзды вкраплены подобно драгоценным камням. Мы обсуждали, что трудно заметить движение далеких звёзд друг относительно друга, поэтому возникала мысль о твёрдом своде. Сейчас мы понимаем, что небесного свода в таком понимании нет, но небесная сфера – это удобная модель для обозначения расположения звёзд.

Точку небесной сферы, которая располагается прямо над нами, назвали зенит. Проведём воображаемую линию – границу видимой части небесной сферы, ниже которой её закрывает Земля. Как назвали эту линию, вы знаете – горизонт. Конечно, граница видимой части неба зависит от рельефа, в городе – от застройки. Если утром Солнце скрыто за холмом или за деревом, это значит, что оно за горизонтом или что из-за дерева рассвет ещё не наступил? Нужно договориться. Поэтому взяли модель, которая пренебрегает рельефом и считает Землю гладкой (см. рис. 2).

Рис. 2. Модель небесной сферы

Вот если мы возьмем эту небесную сферу, то теперь можно заметить, что она вращается: в течение ночи звёзды поднимаются от восточной части горизонта, продвигаются по своду и опускаются за западную часть горизонта. На самом деле вращается Земля, но мы находимся на ней и воспринимаем её неподвижной, и нам кажется, что вращается всё вокруг нас.

Когда катаешься на карусели, то тоже кажется, что всё вокруг вращается. И друг, который стоит рядом, то появляется, то исчезает. В этом смысле Земля – это тоже большая «карусель», находясь на которой мы наблюдаем за окружающими небесными телами. И вращающаяся небесная сфера – это хорошая модель, упрощающая описание многих небесных явлений.

Невооруженным глазом на небе можно увидеть приблизительно до 3000 звёзд. Чтобы как-то разбираться в этом множестве звёзд, люди пытались сгруппировать звёзды так, чтобы расположение их в такой группе (созвездии) напоминало какой-нибудь знакомый предмет, животное, мифологическое существо. Его именем и называли созвездие (см. рис. 3).

Рис. 3. Примеры созвездий

На самом деле, нужно иметь богатую фантазию или быть знакомым с древними изображениями созвездий, чтобы увидеть в созвездиях тот предмет, чьим именем оно названо. К тому же смещение звёзд относительно друг друга хоть и медленное, но на протяжении тысяч лет оно становится заметным, так что звёздное небо в античности выглядело не так, как сейчас (см. рис. 4).


Рис. 4. Ковш Большой Медведицы с течением времени

У каждой древней цивилизации группировки звёзд в созвездия (и названия созвездий) было своим. В основном в астрономии приняты древнегреческие (в переводе на латынь) или арабские названия звёзд и созвездий. Возможно, вы знаете и можете находить на небе такие созвездия, как Большая и Малая Медведица – о созвездиях мы подробнее поговорим чуть позже.

Выберем ориентиры, к которым привязываться при определении координат на небесной сфере. Мы обозначили одну точку – зенит, но, так как Земля вращается, это направление «вертикально вверх» указывает в направлении разных звёзд. Но земная ось направлена всегда одинаково, поэтому те два направления, в которых она «указывает» двумя концами, можно взять за ориентир (см. рис. 5).

Рис. 5. Некоторые элементы небесной сферы

Мысленно продолжим ось вращения Земли до пересечения с небесной сферой. Эти точки пересечения назвали Северным и Южным мировыми полюсами. Земному экватору соответствует небесный экватор. Обратите внимание: в космосе нет понятия север или юг, и у него нет полюсов. Но мы эти направления выбрали, потому что так направлена земная ось и нам так удобнее ориентироваться, находясь на Земле.

С Земли это выглядит так: точки северного и южного полюсов на небесной сфере неподвижны, и остальная часть небесной сферы вращается вокруг этих точек (см. рис. 6).

Рис. 6. Вращение небесной сферы

Это фотография с большой экспозицией сделана в южном полушарии. Видно вращение звёзд вокруг южного небесного полюса. Северный мировой полюс находится вблизи Полярной звезды, её можно найти, взяв за ориентир две крайние звезды ковша Большой Медведицы, как показано на рис. 7.

Рис. 7. Северный полюс мира