ดาราศาสตร์ทั่วไป/ทรงกลมท้องฟ้า

ถ้าคุณมองออกไปบนพื้นที่ของท้องฟ้าอันมืดมิดที่ว่างเปล่า คุณจะรู้สึกว่าคุณกำลังยืนอยู่บนแผ่นจานแบน ๆ และถูกคลุมโดยโดมขนาดยักษ์ ความตระหนักเรื่องความลึกทำให้เราล้มเหลวที่จะมองเห็นระยะของวัตถุที่บนท้องฟ้า ทำให้วัตถุที่ปรากฏบนท้องฟ้าดูเหมือนอยู่ห่างจากเราด้วยระยะห่างเดียวกันทั้งหมด
ดวงดาวจะปรากฎเคลื่อนไปบนท้องฟ้ายามค่ำคืน โดยขึ้นจากทางตะวันออกและไปตกลงทางตะวันตก ดูราวกับว่าพวกมันติดอยู่ด้านในของโดม ด้วยเหตุนี้ บรรดาอารยธรรมโบราณหลายแห่งต่างเชื่อกันว่าโดมนั้นห้อมล้อมโลกเราไว้จริง ๆ เพียงไม่กี่ศตวรรษที่ผ่านมานี้ นักดาราศาสตร์ได้ตระหนักว่าดวงดาวเหล่านี้อยู่ห่างไกลจากเรามาก พวกมันกระจายไปอยู่ทั่วดาราจักรทางช้างเผือกแทนที่จะอยู่ติดกับด้านในของทรงกลมที่กว้างใหญ่
แนวคิดเดิมนั้นก็คงยังมีประโยชน์อยู่ แนวคิดของทรงกลมท้องฟ้าเป็นแนวคิดง่าย ๆ เกี่ยวกับการปรากฏของดวงดาวเมื่อมองจากโลก โดยปราศจากความซับซ้อนและรูปแบบอันสมจริงของจักรวาล การทำงานของทรงกลมท้องฟ้าทำให้การอธิบายสิ่งที่เราเห็นจากโลกนั้นสะดวกขึ้น เมื่อเราอ้างถึงทรงกลมท้องฟ้า เราจะจินตนาการว่าทุกสื่งที่เราเห็นบนท้องฟ้านั้นตั้งอยู่บนด้านในของทรงกลมขนาดใหญ่ที่ห้อมล้อมโลกเราไว้ เราจะใช้จุดอ้างอิงของทรงกลมท้องฟ้าเป็นพื้นฐานสำหรับระบบพิกัดต่าง ๆ ที่ใช้ในการกำหนดตำแหน่งบนท้องฟ้าด้วยความเอาใจใส่ต่อผู้อื่นและตนเอง
ทรงกลมท้องฟ้าเป็นทรงกลมกลวงที่สมมติขึ้นว่ามันล้อมโลกอยู่ ซึ่งทรงกลมนั้นไม่ได้กำหนดขนาดเอาไว้ มันสามารถใหญ่เป็นอนันต์ (หรืออย่างน้อยก็ใหญ่จริง ๆ) โดยโลกที่มีขนาดเล็กกว่าอยู่ตรงจุดศูนย์กลาง ผู้สังเกตการณ์นั้นจะอยู่ตรงกลางของทรงกลมท้องฟ้าเสมอ แม้ว่าผู้สังเกตการณ์จะไม่ได้อยู่ตรงกลางโลกก็ตาม ตำแหน่งเฉพาะของเราท่ามกลางดวงดาวต่าง ๆ ทำให้เรามีมุมมองเฉพาะ ดาวที่สว่างจะปรากฎเหมือนอยู่ใกล้กว่า ดาวที่อยู่ใกล้ ๆ กันในทิศเดียวกันจะปรากฏเหมือนอยู่ใกล้กัน แม้ว่าพวกมันจะถูกคั่นกลางด้วยระยะทางมหาศาลก็ตาม มุมมองแรกและพื้นฐานที่สุดของเราเมื่อมองออกไปในจักรวาลถูกแยกออกจากการรับรู้ด้านความลึกไปโดยสมบูรณ์
ทรงกลมท้องฟ้าสามารถมองเห็นได้จากสองมุมมอง มุมมองแรกคือทรงกลมท้องฟ้ายังคงอยู่ด้วยตัวเองขณะที่โลกเข้าไปภายในมัน อีกมุมมองคือโลกหยุดนิ่งและทรงกลมท้องฟ้าหมุนรอบโลกไปรอบละหนึ่งวัน จากมุมมองของผู้สังเกตการณ์บนโลกนั้นทั้งสองมุมมองปรากฏเหมือนกัน ขณะที่เราคิดเกี่ยวกับวิธีการคาดหวังในการรับรู้ถึงการหมุนรอบตัวเองของโลก เราสามารถใช้มุมมองที่สองเป็นแนวทางได้
ทุกอย่างที่เราเห็นบนท้องฟ้า เราเห็นมันราวกับว่าถูกฉายอยู่บนทรงกลมท้องฟ้า ตัวอย่างเช่น กลุ่มดาวนายพราน (Orion) ดวงดาวต่างอยู่ในระยะห่างที่หลายหลาย แต่ความแตกต่างนั้นไม่สามารถมองเห็นได้จากบนโลกของเรา รูปแบบของกลุ่มดาวจะหายไป หากเรามองมันจากมุมอื่น ๆ หรือถ้าเราสามารถมองเห็นความลึกได้ เพราะดวงดาวแต่ละดวงนั้นแตกต่างกัน
เนื่องจากการรับรู้ความลึกหายไป การวัดขนาดจึงทำได้ยากกว่า ดวงอาทิตย์และดวงจันทร์ดูเหมือนจะมีขนาดเท่ากันบนท้องฟ้า แม้ว่าดวงอาทิตย์จะมีขนาดใหญ่มาก การที่ดวงอาทิตย์ปรากฏขนาดเท่ากับดวงจันทร์บนท้องฟ้านั้น เป็นเพราะว่าดวงอาทิตย์ที่อยู่ไกลออกไปมีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าดวงจันทร์ 400 เท่ารวมทั้งอยู่ไกลกว่าดวงจันทร์ 400 เท่าด้วยเช่นกัน
แม้ว่าเราจะไม่สามารถวัดขนาดทางกายภาพของวัตถุท้องฟ้าได้ง่ายนัก แต่เราสามารถวัดขนาดปรากฏ (Apparent Size) ของมันได้ โดยการวัดขนาดมุมของวัตถุที่อยู่บนท้องฟ้า ตัวอย่างเช่น ดวงอาทิตย์และดวงจันทร์ มีเส้นผ่านศูนย์กลางเชิงมุมที่ครึ่งองศา ซึ่งวัตถุท้องฟ้าส่วนใหญ่จะมีขนาดเล็กกว่านี้ ดังนั้นเราจึงมักใช้การวัดมุมที่เล็กกว่านั้นเพื่อให้ตรงตามเป้าหมาย ซึ่งนักดาราศาสตร์จะใช้ ลิปดา (Arc minutes) และ พิลิปดา (Arc seconds) โดยในหนึ่งองศาจะมีหกสิบลิปดา และในหนึ่งลิปดามีหกสิบพิลิปดา ซึ่งมุมเล็ก ๆ เหล่านี้อยู่ใกล้หรือเกินขอบเขตวิสัยทัศน์ของมนุษย์ทั่วไปแล้ว แต่จะเป็นประโยชน์เมื่อใช้ผ่านกล้องโทรทรรศน์ในการสังเกตการณ์
สำหรับนักดูดาวที่ดูดาวไม่บ่อยนัก ผู้สังเกตการณ์เหล่านั้นมักคิดถึงมุมที่ใหญ่กว่านั้น คุณสามารถวัดมุมเหล่านี้อย่างง่าย ๆ ด้วยมือของคุณเอง วิธีการคือ ยืดแขนของคุณออกไปจนสุดแล้วกางนิ้วมือออกประหนึ่งไม้บรรทัด จากระยะแขน หนึ่งนิ้วมือจะมีความกว้างประมาณหนึ่งองศา ฝ่ามือจะมีความกว้างประมาณสิบองศา และนิ้วมือทุกนิ้วที่ขยายออกจากกันจะกว้างประมาณ 25 องศา เพียงเท่านี้ก็เป็นประโยชน์สำหรับการประเมินตำแหน่งของดวงดาวบนท้องฟ้าหรือการวัดขนาดเชิงมุมของดวงดาวสองดวงแล้ว
ขณะที่ดวงดาวมีการเคลื่อนไหวปรากฏข้ามท้องฟ้าในแต่ละคืน ทรงกลมท้องฟ้า เป็นสิ่งที่ดีในการวัดการเคลื่อนที่ผ่านทรงกลมท้องฟ้า เมื่อวัตถุนั้นลอดผ่านช่องว่างไป เรียกว่า การเคลื่อนที่เฉพาะ (Proper motion) และวัดในหน่วยพิลิปดาต่อปี