Dù đang quan sát qua chiếc kính thiên văn mới của mình hay chỉ bằng mắt thường, bạn cũng cần có sự hiểu biết vững vàng về các hệ tọa độ thiên văn khác nhau để tìm ra được nhiều viên ngọc quý trên bầu trời đêm.

Bắc?... Đông?... Tây? ... Nam?... là gì? Đây là những phương hướng liên quan tới thiên văn. Sự quay của bầu trời tạo ra phương hướng trên mặt đất, vị trí trên Trái Đất, và hệ tọa độ thiên văn cơ bản dùng để xác định vị trí trên bầu trời. Trong Phần 1, hệ tọa độ Altitude– Azimuth đã được định nghĩa. Ta thấy rằng bất kỳ đối tượng nào trên trời cũng có thể được xác định một cách duy nhất bằng góc cao bên trên (hoặc bên dưới) chân trời và hướng la bàn của nó. Hệ này còn được gọi là hệ tọa độ "Chân trời" hay hệ tọa độ "Tại chỗ" vì tọa độ của một đối tượng trong hệ có giá trị tại chỉ một địa điểm và chỉ một thời gian nhất định. Vậy nên các nhà thiên văn cần sử dụng các hệ có tính bao quát cao hơn để mô tả vị trí các đối tượng trên trời.

Hiển nhiên, chính sự tự quay của Trái Đất tạo ra các hướng và tọa độ, nhưng khi hệ tọa độ được thiết lập cách đây hơn 2.100 năm, gần như ai "cũng biết" Trái Đất là hình cầu nhưng đứng yên tại chỗ, còn bầu trời thì quay ở phía trên. Nhà thiên văn học và toán học Hy Lạp, Hipparchus, đã tạo ra một hệ thống sử dụng kinh độ và vĩ độ để xác định vị trí trên Trái Đất. Ông bác bỏ quan điểm cho rằng Trái Đất quay quanh trục của nó, nhưng phương pháp của ông lại hoạt động như thể Trái Đất đang tự quay.

Sự tự quay của Trái Đất quyết định vị trí hai cực và xích đạo của nó. Trục quay của Trái Đất xuất phát từ tâm địa cầu và kéo dài vô tận vào trong không gian, nơi trục quay xuyên qua bề mặt Trái Đất gọi là hai cực, còn xích đạo là đường nằm giữa hai cực này. Các đường kinh độ, được gọi là các kinh tuyến, chạy từ cực này tới cực kia và chia Trái Đất thành nhiều múi, các múi này giúp xác định khoảng cách so với phía đông của múi gốc. Vào thế kỷ 19, múi gốc đó đã được chọn ngẫu nhiên là kinh độ của Đài thiên văn Greenwich tại Anh (Kinh tuyến gốc). Kinh độ được đo bằng độ – với 360° bao quanh chu vi Trái Đất; hoặc bằng giờ, phút, giây – để phản ánh sự tự quay thực tế của Trái Đất. Nếu bạn sống cách Greenwich 7 giờ về phía tây, khi một người ở Greenwich nhìn thấy một ngôi sao trên đỉnh đầu họ, thì 7 giờ sau nó mới lên tới đỉnh đầu bạn. Một giờ rộng 15° kinh độ, đây là quãng đường mà Trái Đất tự quay được trong một giờ. Giờ lại được chia nhỏ thành phút và giây, và như bạn đã tìm hiểu ở Chương 1.1, độ cũng được chia nhỏ thành phút cung và giây cung.

Kinh độ được biểu diễn bằng độ đông hoặc độ tây so với Greenwich, còn vĩ độ là khoảng cách góc của một địa điểm về phía bắc hoặc phía nam xích đạo Trái Đất, đơn vị cũng là độ. Vĩ độ của xích đạo bằng 0°, Cực Bắc là 90° Bắc hay +90°, và Cực Nam là 90° Nam hay –90°.

Các vị trí trên Trái Đất được biểu diễn bởi kinh độ và vĩ độ của chúng. Hai giá trị này lần lượt là khoảng cách góc về phía tây (hoặc phía đông) Kinh tuyến gốc đi qua Greenwich, và khoảng cách góc về phía bắc hoặc phía nam xích đạo.

Một hệ thống tương ứng được các nhà thiên văn sử dụng rộng rãi để xác định vị trí trên thiên cầu. Đó là hệ tọa độ xích đạo. Thiên cầu chỉ là ý niệm, không phải một thực thể, nhưng nó giúp ta dễ dàng hình dung ra vòm trời giống như một quả cầu pha lê vô hình với những ngôi sao được đính lên trên đó, còn Mặt Trời, Mặt Trăng và các hành tinh di chuyển bên trên bề mặt của hình cầu (trong các nhà chiếu hình vũ trụ, nó được mô phỏng bằng những quả cầu nhôm). Nếu vị trí trên Trái Đất được biểu diễn bởi:

1. Thời gian Trái Đất cần để quay từ Kinh tuyến gốc đi qua Greenwich tới một địa điểm cần xác định,
2. Khoảng cách góc về phía bắc hoặc phía nam xích đạo Trái Đất,

thì vị trí trên thiên cầu cũng được biểu diễn bằng các khái niệm tương ứng:

1. Thời gian bầu trời cần để quay từ một kinh tuyến gốc nào đó tới một điểm cần xác định,
2. Khoảng cách góc về phía bắc hoặc phía nam xích đạo thiên cầu.

Hai giá trị trên được gọi lần lượt là xích kinh (right ascension) và xích vĩ (declination), viết tắt là RA và Dec. Giá trị xích kinh được biểu diễn bằng giờ (h – hour), phút (m – minute) và giây (s – second). Giá trị xích vĩ được biểu diện bằng độ, phút cung và giây cung. Ví dụ, tọa độ xích đạo của sao Rigel thường được biểu diễn theo định dạng: 5h 14m, –8° 12'.

Để biết được xích kinh của đối tượng, việc đầu tiên ta cần phải làm là chọn ra được một đường có xích kinh bằng 0h. Tương tự như kinh tuyến 0° trên Trái Đất được gọi là Kinh tuyến gốc, thì đường có xích kinh 0h được gọi là kinh tuyến thiên cầu. Không nên nhầm kinh tuyến này với kinh tuyến đỉnh đầu – đường tưởng tượng trên bầu trời chạy từ bắc sang nam và đi qua thiên đỉnh. Những ngôi sao mà kinh tuyến đỉnh đầu đi qua phụ thuộc vào vị trí của bạn, còn kinh tuyến thiên cầu luôn đi qua những ngôi sao và chòm sao cố định.

Việc xác định kinh tuyến thiên cầu là một quá trình gồm hai bước: trước tiên, ta cần định nghĩa điểm xuân phân, một trong hai điểm nằm trên thiên cầu, nơi xích đạo thiên cầu cắt hoàng đạo (xuân phân còn là thời điểm Mặt Trời vượt qua xích đạo thiên cầu vào tháng Ba; đánh dấu sự khởi đầu của mùa xuân tại Bắc bán cầu – xem Chương 3.2). Xích đạo thiên cầu là hình chiếu của xích đạo Trái Đất vào trong không gian, còn hoàng đạo là đường chuyển động biểu kiến hằng năm của Mặt Trời trên bầu trời.

Sau khi xác định được điểm xuân phân, kinh tuyến thiên cầu được định nghĩa là đường kéo dài từ Thiên cực Bắc qua điểm xuân phân tới Thiên cực Nam.

Khi biết được kinh tuyến gốc, xích kinh của một đối tượng sẽ được xác định bởi khoảng cách từ nó tới kinh tuyến này. Một đối tượng với RA bằng 12h thì có cùng RA với điểm thu phân, còn các đối đượng có RA bằng 6h hay 18h thì cách đều hai điểm xuân phân và thu phân.

Xích vĩ có lẽ dễ hiểu hơn xích kinh, vì đường tham chiếu của nó là xích đạo thiên cầu, vốn chỉ là hình chiếu của xích đạo Trái Đất lên trên thiên cầu. Do đó, nó chính là bản sao của vĩ độ địa lý. Ta đo xích vĩ bằng độ bắc hoặc độ nam so với xích đạo thiên cầu, bản thân đường này có xích vĩ bằng 0°. Xích vĩ của Thiên cực Bắc bằng +90° hay 90° Bắc và Thiên cực Nam là –90° hay 90° Nam.

Tọa độ xích đạo của một ngôi sao không thay đổi khi thời gian trôi (Thực ra, điều này không hoàn toàn đúng vì còn có chuyển động riêng và tiến động, nhưng những chuyển động này diễn ra rất chậm, và không thay đổi vị trí của một ngôi sao tới mức đủ để nhận ra – ít nhất là với mắt thường – trong suốt một đời người. Xem Chương 3.3 về chuyển động riêng và Chương 5.2 về tiến động). Cũng giống như kinh độ và vĩ độ của Boston không thay đổi khi Trái Đất quay, tọa độ xích đạo của Rigel vẫn giữ nguyên từ đêm này qua đêm khác và năm này qua năm khác. Tuy nhiên, tọa độ xích đạo của một hành tinh hoặc một sao chổi lại thay đổi mỗi đêm khi các đối tượng này di chuyển khắp bầu trời so với những ngôi sao xa xôi.

Thật hữu ích khi cảm nhận được hệ tọa độ này nếu bạn muốn có khả năng tìm ra thứ gì đó trên trời. Một bài thực hành không thể hay hơn đó là đứng ngoài trời vào ban đêm, tưởng tưởng ra các tọa độ như thể chúng được vẽ bằng phấn trên trời, và hình dung ra cách chúng quay cùng với thiên cầu khi bầu trời quay trên đầu bạn. Hệ tọa độ xích đạo dựa vào sự tự quay của Trái Đất, và hữu dụng nhất khi dùng để xác định vị trí của một đối tượng trên thiên cầu trong mối liên hệ với Trái Đất (liên hệ với xích đạo và các cực của Trái Đất).

Hệ thống thứ ba, hệ tọa độ hoàng đạo, hữu dụng hơn khi bạn muốn xác định vị trí của các đối tượng so với Mặt Trời hoặc so với mặt phẳng của Hệ Mặt Trời. Phần tương ứng với xích đạo trong hệ tọa độ này là hoàng đạo, đây là đường đi của Trái Đất quanh Mặt Trời. Nó cũng là đường chuyển động biểu kiến hằng năm của Mặt Trời trên bầu trời – một cách diễn đạt khác cho cùng một khái niệm. Vị trí trong hệ tọa độ hoàng đạo được xác định bởi hoàng kinh và hoàng vĩ, cả hai đều đo bằng độ. Bản thân hoàng đạo có hoàng vĩ bằng 0°, và các hoàng cực có hoàng vĩ là +90° và –90°. Hoàng cực Bắc – cực bắc của Hệ Mặt Trời – nằm trong chòm sao Draco, và Hoàng cực Nam nằm trong chòm sao Dorado cách Đám mây Magellanic Lớn không xa. Các vị trí dọc theo hoàng đạo được đo bằng độ từ một điểm khởi đầu tùy ý về phía đông, một lần nữa điểm xuân phân lại được chọn – nơi hoàng đạo và xích đạo thiên cầu cắt nhau trong chòm sao Pisces. Hoàng kinh được đánh số từ 0° tới 360°.

Việc xác định vị trí của một đối tượng theo hệ tọa độ hoàng đạo giúp bạn biết khi nào Mặt Trời gần nó nhất và nó cách xa đường đi của Mặt Trời bao nhiêu. Ví dụ, tọa độ hoàng đạo của sao Antares là 250°, –5°; khi Mặt Trời gần hoàng kinh 250° nhất vào ngày 2/12, thì Antares cách Mặt Trời 5° về phía nam. Hệ tọa độ hoàng đạo gần như chỉ dành riêng cho các đối tượng trong Hệ Mặt Trời. Sự giao hội hành tinh thường được biểu diễn theo tọa độ hoàng đạo (xem phần nói về giao hội trong Chương 4.2). Khi các phi hành gia tàu Apollo rời khỏi khu vực lân cận Trái Đất để đi tới Mặt Trăng, họ bỏ hệ tọa độ của Trái Đất lại và sử dụng hệ tọa độ hoàng đạo để điều hướng. Một bản đồ sao đặc biệt dựa trên hoàng đạo đã được chuẩn bị cho chuyến thám hiểm không gian của họ.

Một hệ tọa độ thứ tư chuyên được sử dụng bởi những người quan tâm tới Dải Ngân Hà. Đó là hệ tọa độ thiên hà, nó sử dụng xích đạo và các cực Ngân Hà làm mặt phẳng cơ bản và điểm cực. Nó cho phép bạn xác định vị trí của một đối tượng theo "kinh độ đông – tây" so với tâm Ngân Hà và "vĩ độ bắc – nam" so với mặt phẳng Ngân Hà. Trung tâm Ngân Hà nằm trong chòm Sagittarius (tại tọa độ 17h 46m, –29° trong hệ xích đạo), cực bắc và cực nam của nó nằm lần lượt bên trong chòm Coma Berenices và Sculptor (tại tọa độ 12h 51m, +27° và 0h 51m, –28°). Hệ tọa độ này cho phép bạn xác định vị trí của một ngôi sao bằng kinh độ thiên hà và vĩ độ thiên hà.

Còn nhiều hệ tọa độ khác ít phổ biến, chẳng hạn như những hệ tọa độ gắn với các hành tinh và mặt trăng khác. Những hệ này được sử dụng bởi các nhà thiên văn Hệ Mặt Trời khi tính toán quỹ đạo cho các tàu vũ trụ liên hành tinh và các hiện tượng liên quan tới các hành tinh cụ thể.

Hệ tọa độ quan trọng nhất giúp bạn xác định phương hướng trên bầu trời là hệ tọa độ Alt-Az (chân trời) và hệ tọa độ xích đạo. Các tọa độ mà bạn nhìn thấy trong sách chủ yếu là tọa độ xích đạo, nhưng bạn sẽ cần tới tọa độ chân trời để biết chính xác vùng trời mà mình nên nhìn vào! Khi nắm vững các hệ tọa độ, bạn không còn phải tốn công để loay hoay tìm kiếm nữa, mà có nhiều thời gian để quan sát chúng hơn!