作為一個花費數千小時觀測夜空的人，我認為自己對夜空相當熟悉，並且能夠輕鬆地在其中導航。這在宏大的尺度上當然是正確的：從一個星座跳到另一個星座，或者尋找明亮的星星。
但是，當我在望遠鏡的目鏡前，努力尋找一些微弱而遙遠的星系時，我很容易迷失方向。我的情況就像非常瞭解你的社群，但試圖在其中找到一片特定的草葉。天空很大，天體看起來很小。天文學家是如何找到它們的呢？
答案類似於我們在地球上導航的方式：我們使用一組座標，這些座標與緯度和經度非常相似，只不過是在天空中使用。
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這樣做是有道理的。地球大致是一個球體，並繞其軸自轉。這自然而然地在地球上定義了兩個點，自轉軸與地表相交：北極和南極。我們還可以定義它們之間正中的環繞地球的線，我們稱之為赤道。
我們在天空中看到了這種運動的反映；當我們從自轉的地球向外看時，我們見證了天空每天繞我們旋轉一次。這再次定義了兩個點：北天極和南天極，它們相當於我們在地球上的北極和南極。思考天空中這些點的另一種方式是，如果你正好站在地球的北極，那麼北天極將直接在你的頭頂，位於你的天頂。碰巧的是，中等亮度的恆星小熊座α星目前恰好位於該位置附近，因此為了紀念這個位置，它被暱稱為北極星。
在兩極之間一半的位置是天赤道，它標誌著北部天空和南部天空之間的邊界。與地球座標系類似，我們將北天極定義為 90 度，南天極定義為 -90 度，它們之間的天赤道定義為零度，正如我們在地球表面上定義它們的等價物一樣。
經度比較棘手。我們自轉的地球使得南北很容易定義，但是沒有明顯的標記來劃定從哪裡開始測量東西方向。無論我們選擇什麼都必須是任意的！零度經線——稱為本初子午線——是在 1884 年的一次專門討論如何為地球建立一個統一的座標系統的會議上選定的。與會者投票決定本初子午線將穿過倫敦格林威治皇家天文臺的位置——天文學家在那裡使用恆星位置進行計時，因為恆星的每日運動反映了地球的自轉，使它們成為我們可以測量的天文時鐘。
然而，與地球上的經度不同，我們在天空中確實有一個相對固定且非任意的點。它是天赤道與黃道的交點，黃道是太陽相對於恆星移動時在天空中的路徑（由於地球繞太陽公轉，我們對它的視角不斷變化）。這兩個略微傾斜的圓圈在兩個點相交，稱為交點。每年，在 3 月 21 日左右，太陽都位於其中一個交點：春分點。雖然大多數人認為春分點是一年中的時間，但天文學家認為它是天空中的一個位置，太陽在那個時間恰好位於該位置。無論哪種方式，這都為我們提供了一個不錯的基準，因此天文學家將其用作測量經度的零點。
為了將他們的座標系與緯度和經度區分開來，天文學家反而稱之為赤經 (RA) 和赤緯 (dec)。這些名稱的使用是出於歷史原因，這通常是對聽起來古老的天文術語的解釋。歷史也是在赤緯中使用類似緯度的南北度數，而不是在赤經中使用度數的奇怪選擇背後的原因。由於其起源於經度計時，我們以小時為單位測量赤經，從零到 24 小時——再次反映地球的自轉——數字向東遞增。
那麼我們如何使用這個公認笨拙的系統呢？一顆正好位於天赤道與黃道交匯處的恆星，其赤經為零小時，赤緯為零度。一顆略微偏東的恆星將具有更大的赤經，而天空另一側的恆星的赤經將為 12 小時。向北的赤緯以正度數測量，向南的赤緯以負度數測量。
Allexxandar/Getty Images
然而，這些單位相當大。在天空中一度平方的範圍內可能存在數千個著名的星系，因此我們將單位細分為更小的單位，即分和秒，有時稱為角分和角秒，以避免與時間單位混淆。這就是事情變得非常令人困惑的地方：一度赤緯分為 60 角分（通常簡稱為角分），每角分分為 60 角秒（因此一度有 3600 角秒）。但是對於赤經，我們將每小時分為 60 分鐘，每分鐘分為 60 秒！
這導致了令人惱火的情況，即天空中一角分的赤緯不等於一分鐘的赤經！赤經在天空中一週是 24 小時，而赤緯是 360 度，這種差異代表了 15 倍的因子。因此，一小時的赤經等於 15 度的赤緯，一分鐘的赤經等於 15 角分的赤緯。 唉。
至少（重重地嘆了口氣）它們在赤道上是相等的。但是，更令人難以置信的是，赤經的物理單位在靠近每個天極時會變小。這是因為靠近北天極的恆星在地球自轉時在天空中畫出一個小圓圈，而靠近赤道的恆星則畫出一個更大的圓圈。為了解決這個問題，天文學家只是理解赤經的單位長度會根據它們在天空中的位置而變化，並在計算中考慮到這一點（對於任何數學愛好者來說，長度的變化取決於赤緯的餘弦）。是的，這非常麻煩。而且請不要誤會，並不是很多天文學家喜歡它！但我們還是堅持使用它，因為我們把天空感知為一個球體。其他座標系單位可能會起作用，但在我看來，它們甚至更難使用，所以我們最終還是會回到舊系統。它基於自轉的地球，而我們住在這裡，所以，從字面上看，我們就在這裡。
這就是我們在天空中找到天體的方式。例如，一個星系的座標可能是，比如，赤經 16 小時 34 分 3.25 秒，赤緯 -32 度 10 分 49 秒，天文學家可以使用它在望遠鏡中輕鬆找到它——至少目前是這樣。
地球軸心的輕微擺動意味著座標系在天空中緩慢漂移，因此天體的座標一直在少量變化！我們透過宣告一個觀測曆元——例如，2000 年——並使用基於該年份的座標來解決這個問題，並考慮到此後的漂移。這對於極其精確的觀測至關重要，例如大多數太空望遠鏡的觀測，如果不考慮擺動，您可能會錯過目標。但對於更隨意的觀測者來說，這種精度就顯得過分了。
好吧——如果你們能原諒我的表達——謝天謝地！這已經夠難的了。我們甚至還沒有觸及其他不太以地球為中心的座標系，例如以太陽甚至銀河系中心為中心的座標系。天文學家會根據他們追求的天體型別來使用所有這些座標系。這真是一團糟。
但它奏效了。我們可以測量天空，並將這些觀測的位置傳達給世界各地的其他天文學家，以便他們也能看到。這隻需要一點協調。