Небе́сная сфе́ра, сфера произвольного радиуса, на которую проецируются небесные светила. Центром небесной сферы может быть любая точка пространства, где находится наблюдатель. Как правило, радиус небесной сферы принимают равным 1. Положение светила на небесной сфере описывается небесными координатами. На небесной сфере выделяют особые точки и круги, задающие основные плоскости систем небесных координат.

В сферической геометрии линией наименьшей длины, соединяющей две точки, является дуга большого круга (окружности, образованной пересечением сферы с плоскостью, проходящей через её центр). Перпендикуляр к плоскости большого круга пересекает небесную сферу в точках, называемых полюсами. Три точки, лежащие на сфере и соединённые дугами окружностей больших кругов, проходящих через эти точки, образуют сферический треугольник. Для вычисления углов и сторон в сферическом треугольнике используются формулы сферической тригонометрии.

Углы в астрономии измеряются в градусах (угловых минутах и секундах), радианах и часах (минутах и секундах). Применяются следующие обозначения: 1^h (1 час) – это центральный угол, соответствующий ¹/₂₄ части окружности; 1^h = 60^m = 3600^s (1^m – 1 минута, 1^s – 1 секунда). Очевидно, что 1^h = 15°, 1^m = 15′, 1^s = 15″. Точность современных астрометрических наблюдений намного превышает 1″, поэтому часто в качестве единицы измерения углов используется миллисекунда дуги (0,001″) или микросекунда дуги (10^–6 ″).

Полюсы различных систем небесных координат являются особыми точками небесной сферы. Для наблюдателя, находящегося на Земле, отвесная линия пересекает небесную сферу в точках, называемых зенитом Z и надиром N наблюдателя, – это полюсы горизонтальной системы небесных координат (рисунок, а). Плоскость, перпендикулярная отвесной линии, называется плоскостью горизонта. Точки пересечения небесной сферы осью вращения Земли называются полюсами мира, а сама ось – осью мира. Тот полюс мира, при взгляде с которого вращение Земли происходит против часовой стрелки, называется северным (P_N на рисунке, б), а противоположный полюс – южным (P_S). Плоскость, перпендикулярная оси мира и проходящая через центр небесной сферы, называется плоскостью небесного экватора; плоскость, проходящая через полюсы мира и зенит наблюдателя, называется плоскостью небесного меридиана. Линии пересечения указанных плоскостей с небесной сферой называются соответственно небесным экватором и небесным меридианом. Небесный меридиан пересекает плоскость горизонта в двух точках: та из них, которая ближе к северному полюсу мира, называется точкой севера (N), противоположная – точкой юга (S). Выделяют ещё две ключевые точки на плоскости горизонта: в 90° по часовой стрелке от N находится точка востока (E), в 270° – точка запада (W).

Системы небесных координат: а – горизонтальная, б – экваториальная, в – эклиптическая, г – галактическая. БРЭ. Т. 22.Системы небесных координат: а – горизонтальная, б – экваториальная, в – эклиптическая, г – галактическая. БРЭ. Т. 22.В современную эпоху северный полюс мира располагается вблизи Полярной звезды (на расстоянии менее 1°). Поэтому для наблюдателя, находящегося в Северном полушарии Земли, Полярная звезда в течение суток почти неподвижна, а остальные звёзды совершают вокруг неё круговое движение. Кажущееся вращение небесной сферы вокруг оси мира является отражением вращения Земли вокруг собственной оси.

Видимое годовое движение Солнца по небесной сфере отражает движение Земли вокруг Солнца. Плоскость, перпендикулярная вектору орбитального углового момента системы Земля – Луна, называется плоскостью эклиптики. Линия пересечения этой плоскости с небесной сферой называется эклиптикой – вдоль этой линии проходит годовой путь Солнца по небесной сфере. Плоскость эклиптики делит небесную сферу на Северное и Южное полушария (северным полюсом эклиптики П_N называется тот из них, который удалён от северного полюса мира менее чем на 90°, см. рисунок, в). Наклон эклиптики к плоскости небесного экватора составляет около 23,5° и медленно меняется из-за прецессии и нутации Земли, вызванной притяжением экваториального утолщения Земли Солнцем, Луной и планетами Солнечной системы. Это притяжение приводит также к возмущениям в движении Земли по орбите. В результате центр масс Земли оказывается то чуть ниже, то чуть выше плоскости эклиптики. Соответственно на небесной сфере центр Солнца находится то выше, то ниже эклиптики.

Точки пересечения небесного экватора с эклиптикой называют точками весеннего (♈) и осеннего (♎) равноденствий. Точку весеннего равноденствия Солнце проходит примерно 21 марта, двигаясь из Южного полушария небесной сферы в Северное, а точку осеннего равноденствия – примерно 23 сентября, двигаясь из Северного полушария в Южное. Так как положение определённых таким образом точек равноденствия находят в результате решения уравнений динамики, эти точки называют динамическими, а сам момент пересечения центром Солнца динамической точки весеннего равноденствия – динамическим равноденствием.

Для объектоцентрической системы координат особые точки небесной сферы также могут быть определены через введение основной плоскости. Например, за основную плоскость системы, связанной с космическим аппаратом (КА), может быть принята плоскость его орбиты или плоскость, перпендикулярная оси вращения КА. Полюсы системы определяются как точки пересечения перпендикуляра, проходящего через центр масс КА, к основной плоскости, с небесной сферой. В любом случае для преобразования координат небесных тел из объектоцентрической системы координат в экваториальную необходимо знать взаимную ориентацию (углы Эйлера) основных плоскостей этих систем.