作为一个花费数千小时观测夜空的人，我认为自己对夜空相当熟悉，并且能够轻松地在其中导航。这在宏大的尺度上当然是正确的：从一个星座跳到另一个星座，或者寻找明亮的星星。
但是，当我在望远镜的目镜前，努力寻找一些微弱而遥远的星系时，我很容易迷失方向。我的情况就像非常了解你的社区，但试图在其中找到一片特定的草叶。天空很大，天体看起来很小。天文学家是如何找到它们的呢？
答案类似于我们在地球上导航的方式：我们使用一组坐标，这些坐标与纬度和经度非常相似，只不过是在天空中使用。
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这样做是有道理的。地球大致是一个球体，并绕其轴自转。这自然而然地在地球上定义了两个点，自转轴与地表相交：北极和南极。我们还可以定义它们之间正中的环绕地球的线，我们称之为赤道。
我们在天空中看到了这种运动的反映；当我们从自转的地球向外看时，我们见证了天空每天绕我们旋转一次。这再次定义了两个点：北天极和南天极，它们相当于我们在地球上的北极和南极。思考天空中这些点的另一种方式是，如果你正好站在地球的北极，那么北天极将直接在你的头顶，位于你的天顶。碰巧的是，中等亮度的恒星小熊座α星目前恰好位于该位置附近，因此为了纪念这个位置，它被昵称为北极星。
在两极之间一半的位置是天赤道，它标志着北部天空和南部天空之间的边界。与地球坐标系类似，我们将北天极定义为 90 度，南天极定义为 -90 度，它们之间的天赤道定义为零度，正如我们在地球表面上定义它们的等价物一样。
经度比较棘手。我们自转的地球使得南北很容易定义，但是没有明显的标记来划定从哪里开始测量东西方向。无论我们选择什么都必须是任意的！零度经线——称为本初子午线——是在 1884 年的一次专门讨论如何为地球创建一个统一的坐标系统的会议上选定的。与会者投票决定本初子午线将穿过伦敦格林威治皇家天文台的位置——天文学家在那里使用恒星位置进行计时，因为恒星的每日运动反映了地球的自转，使它们成为我们可以测量的天文时钟。
然而，与地球上的经度不同，我们在天空中确实有一个相对固定且非任意的点。它是天赤道与黄道的交点，黄道是太阳相对于恒星移动时在天空中的路径（由于地球绕太阳公转，我们对它的视角不断变化）。这两个略微倾斜的圆圈在两个点相交，称为交点。每年，在 3 月 21 日左右，太阳都位于其中一个交点：春分点。虽然大多数人认为春分点是一年中的时间，但天文学家认为它是天空中的一个位置，太阳在那个时间恰好位于该位置。无论哪种方式，这都为我们提供了一个不错的基准，因此天文学家将其用作测量经度的零点。
为了将他们的坐标系与纬度和经度区分开来，天文学家反而称之为赤经 (RA) 和赤纬 (dec)。这些名称的使用是出于历史原因，这通常是对听起来古老的天文术语的解释。历史也是在赤纬中使用类似纬度的南北度数，而不是在赤经中使用度数的奇怪选择背后的原因。由于其起源于经度计时，我们以小时为单位测量赤经，从零到 24 小时——再次反映地球的自转——数字向东递增。
那么我们如何使用这个公认笨拙的系统呢？一颗正好位于天赤道与黄道交汇处的恒星，其赤经为零小时，赤纬为零度。一颗略微偏东的恒星将具有更大的赤经，而天空另一侧的恒星的赤经将为 12 小时。向北的赤纬以正度数测量，向南的赤纬以负度数测量。
Allexxandar/Getty Images
然而，这些单位相当大。在天空中一度平方的范围内可能存在数千个著名的星系，因此我们将单位细分为更小的单位，即分和秒，有时称为角分和角秒，以避免与时间单位混淆。这就是事情变得非常令人困惑的地方：一度赤纬分为 60 角分（通常简称为角分），每角分分为 60 角秒（因此一度有 3600 角秒）。但是对于赤经，我们将每小时分为 60 分钟，每分钟分为 60 秒！
这导致了令人恼火的情况，即天空中一角分的赤纬不等于一分钟的赤经！赤经在天空中一周是 24 小时，而赤纬是 360 度，这种差异代表了 15 倍的因子。因此，一小时的赤经等于 15 度的赤纬，一分钟的赤经等于 15 角分的赤纬。 唉。
至少（重重地叹了口气）它们在赤道上是相等的。但是，更令人难以置信的是，赤经的物理单位在靠近每个天极时会变小。这是因为靠近北天极的恒星在地球自转时在天空中画出一个小圆圈，而靠近赤道的恒星则画出一个更大的圆圈。为了解决这个问题，天文学家只是理解赤经的单位长度会根据它们在天空中的位置而变化，并在计算中考虑到这一点（对于任何数学爱好者来说，长度的变化取决于赤纬的余弦）。是的，这非常麻烦。而且请不要误会，并不是很多天文学家喜欢它！但我们还是坚持使用它，因为我们把天空感知为一个球体。其他坐标系单位可能会起作用，但在我看来，它们甚至更难使用，所以我们最终还是会回到旧系统。它基于自转的地球，而我们住在这里，所以，从字面上看，我们就在这里。
这就是我们在天空中找到天体的方式。例如，一个星系的坐标可能是，比如，赤经 16 小时 34 分 3.25 秒，赤纬 -32 度 10 分 49 秒，天文学家可以使用它在望远镜中轻松找到它——至少目前是这样。
地球轴心的轻微摆动意味着坐标系在天空中缓慢漂移，因此天体的坐标一直在少量变化！我们通过声明一个观测历元——例如，2000 年——并使用基于该年份的坐标来解决这个问题，并考虑到此后的漂移。这对于极其精确的观测至关重要，例如大多数太空望远镜的观测，如果不考虑摆动，您可能会错过目标。但对于更随意的观测者来说，这种精度就显得过分了。
好吧——如果你们能原谅我的表达——谢天谢地！这已经够难的了。我们甚至还没有触及其他不太以地球为中心的坐标系，例如以太阳甚至银河系中心为中心的坐标系。天文学家会根据他们追求的天体类型来使用所有这些坐标系。这真是一团糟。
但它奏效了。我们可以测量天空，并将这些观测的位置传达给世界各地的其他天文学家，以便他们也能看到。这只需要一点协调。