doc/kstars/skycoords.docbook

   1 <sect1 id="ai-skycoords">
   2 <sect1info>
   3 <author>
   4 <firstname>Jason</firstname>
   5 <surname>Harris</surname>
   6 </author>
   7 </sect1info>
   8 <title>Celestial Coordinate Systems</title>
   9 <para>
  10 <indexterm><primary>Celestial Coordinate Systems</primary>
  11 <secondary>Overview</secondary></indexterm>
  12 A basic requirement for studying the heavens is determining where in the
  13 sky things are.  To specify sky positions, astronomers have developed
  14 several <firstterm>coordinate systems</firstterm>.  Each uses a coordinate grid
  15 projected on the <link linkend="ai-csphere">Celestial Sphere</link>, in
  16 analogy to the <link linkend="ai-geocoords">Geographic coordinate
  17 system</link> used on the surface of the Earth.  The coordinate systems
  18 differ only in their choice of the <firstterm>fundamental plane</firstterm>,
  19 which divides the sky into two equal hemispheres along a <link
  20 linkend="ai-greatcircle">great circle</link>. (the fundamental plane of the
  21 geographic system is the Earth's equator). Each coordinate system is named for
  22 its choice of fundamental plane.
  23 </para>
  24
  25 <sect2 id="equatorial">
  26 <title>The Equatorial Coordinate System</title>
  27 <indexterm><primary>Celestial Coordinate Systems</primary>
  28 <secondary>Equatorial Coordinates</secondary>
  29 <seealso>Celestial Equator</seealso>
  30 <seealso>Celestial Poles</seealso>
  31 <seealso>Geographic Coordinate System</seealso>
  32 </indexterm>
  33 <indexterm><primary>Right Ascension</primary><see>Equatorial Coordinates</see></indexterm>
  34 <indexterm><primary>Declination</primary><see>Equatorial Coordinates</see></indexterm>
  35
  36 <para>
  37 The <firstterm>Equatorial coordinate system</firstterm> is probably the most
  38 widely used celestial coordinate system.  It is also the most closely related
  39 to the <link linkend="ai-geocoords">Geographic coordinate system</link>, because
  40 they use the same fundamental plane, and the same poles.  The projection of the
  41 Earth's equator onto the celestial sphere is called the
  42 <link linkend="ai-cequator">Celestial Equator</link>.
  43 Similarly, projecting the geographic Poles onto the celestial sphere defines the
  44 North and South <link linkend="ai-cpoles">Celestial Poles</link>.
  45 </para><para>
  46 However, there is an important difference between the equatorial and
  47 geographic coordinate systems: the geographic system is fixed to the
  48 Earth; it rotates as the Earth does.  The Equatorial system is
  49 fixed to the stars<footnote id="fn-precess"><para>actually, the equatorial
  50 coordinates are not quite fixed to the stars.  See <link
  51 linkend="ai-precession">precession</link>.  Also, if <link
  52 linkend="ai-hourangle">Hour Angle</link> is used in place of Right
  53 Ascension, then the Equatorial system is fixed to the Earth, not to the
  54 stars.</para></footnote>, so it appears to rotate across the sky with the stars,
  55 but of course it is really the Earth rotating under the fixed sky.
  56 </para><para>
  57 The <firstterm>latitudinal</firstterm> (latitude-like) angle of the Equatorial
  58 system is called <firstterm>Declination</firstterm> (Dec for short).  It
  59 measures the angle of an object above or below the Celestial Equator.  The
  60 <firstterm>longitudinal</firstterm> angle is called the <firstterm>Right
  61 Ascension</firstterm> (<acronym>RA</acronym> for short).  It measures the angle of an object East
  62 of the <link linkend="ai-equinox">Vernal Equinox</link>.  Unlike longitude,
  63 Right Ascension is usually measured in hours instead of degrees, because the
  64 apparent rotation of the Equatorial coordinate system is closely related to
  65 <link linkend="ai-sidereal">Sidereal Time</link> and <link
  66 linkend="ai-hourangle">Hour Angle</link>.  Since a full rotation of the sky
  67 takes 24 hours to complete, there are (360 degrees / 24 hours) = 15 degrees in
  68 one Hour of Right Ascension.
  69 </para>
  70 </sect2>
  71
  72 <sect2 id="horizontal">
  73 <title>The Horizontal Coordinate System</title>
  74
  75 <indexterm><primary>Celestial Coordinate Systems</primary>
  76 <secondary>Horizontal Coordinates</secondary>
  77 <seealso>Horizon</seealso>
  78 <seealso>Zenith</seealso>
  79 </indexterm>
  80 <indexterm><primary>Azimuth</primary><see>Horizontal Coordinates</see></indexterm>
  81 <indexterm><primary>Altitude</primary><see>Horizontal Coordinates</see></indexterm>
  82 <para>
  83 The Horizontal coordinate system uses the observer's local <link
  84 linkend="ai-horizon">horizon</link> as the Fundamental Plane.  This conveniently
  85 divides the sky into the upper hemisphere that you can see, and the lower
  86 hemisphere that you can't (because the Earth is in the way).  The pole of the
  87 upper hemisphere is called the <link linkend="ai-zenith">Zenith</link>.  The
  88 pole of the lower hemisphere is called the <firstterm>nadir</firstterm>.  The
  89 angle of an object above or below the horizon is called the
  90 <firstterm>Altitude</firstterm> (Alt for short).  The angle of an object around
  91 the horizon (measured from the North point, toward the East) is called the
  92 <firstterm>Azimuth</firstterm>.  The Horizontal Coordinate System is sometimes
  93 also called the Alt/Az Coordinate System.
  94 </para><para>
  95 The Horizontal Coordinate System is fixed to the Earth, not the Stars.
  96 Therefore, the Altitude and Azimuth of an object changes with time, as the
  97 object appears to drift across the sky.  In addition, because the Horizontal
  98 system is defined by your local horizon, the same object viewed from different
  99 locations on Earth at the same time will have different values of Altitude and
 100 Azimuth.
 101 </para><para>
 102 Horizontal coordinates are very useful for determining the Rise and Set times of
 103 an object in the sky.  When an object has Altitude=0 degrees, it is either
 104 Rising (if its Azimuth is &lt; 180 degrees) or Setting (if its Azimuth is &gt;
 105 180 degrees).
 106 </para>
 107 </sect2>
 108
 109 <sect2 id="ecliptic">
 110 <title>The Ecliptic Coordinate System</title>
 111
 112 <indexterm><primary>Celestial Coordinate Systems</primary>
 113 <secondary>Ecliptic Coordinates</secondary>
 114 <seealso>Ecliptic</seealso>
 115 </indexterm>
 116 <para>
 117 The Ecliptic coordinate system uses the <link
 118 linkend="ai-ecliptic">Ecliptic</link> for its Fundamental Plane.  The
 119 Ecliptic is the path that the Sun appears to follow across the sky over
 120 the course of a year.  It is also the projection of the Earth's
 121 orbital plane onto the Celestial Sphere.  The latitudinal angle is
 122 called the <firstterm>Ecliptic Latitude</firstterm>, and the longitudinal angle
 123 is called the <firstterm>Ecliptic Longitude</firstterm>.  Like Right Ascension
 124 in the Equatorial system, the zeropoint of the Ecliptic Longitude is the <link
 125 linkend="ai-equinox">Vernal Equinox</link>.
 126 </para><para>
 127 What do you think such a coordinate system would be useful for?  If you
 128 guessed charting solar system objects, you are right!  Each of the
 129 planets (except Pluto) orbits the Sun in roughly the same plane, so they always
 130 appear to be somewhere near the Ecliptic (&ie;, they always have small ecliptic
 131 latitudes).
 132 </para>
 133 </sect2>
 134
 135 <sect2 id="galactic">
 136 <title>The Galactic Coordinate System</title>
 137
 138 <indexterm><primary>Celestial Coordinate Systems</primary>
 139 <secondary>Galactic Coordinates</secondary>
 140 </indexterm>
 141 <para>
 142 <indexterm><primary>Milky Way</primary></indexterm>
 143 The Galactic coordinate system uses the <firstterm>Milky Way</firstterm> as its
 144 Fundamental Plane.  The latitudinal angle is called the <firstterm>Galactic
 145 Latitude</firstterm>, and the longitudinal angle is called the
 146 <firstterm>Galactic Longitude</firstterm>.  This coordinate system is useful for
 147 studying the Galaxy itself.  For example, you might want to know how the density
 148 of stars changes as a function of Galactic Latitude, to how much the disk of the
 149 Milky Way is flattened.
 150 </para>
 151 </sect2>
 152 </sect1>