La esfera celestial
Si realiza un viaje de campamento o vive lejos de las luces de la ciudad, su vista del cielo en una noche despejada es prácticamente idéntica a la vista por personas de todo el mundo antes de la invención del telescopio. Mirando hacia arriba, tiene la impresión de que el cielo es una gran cúpula hueca con usted en el centro, y todas las estrellas están a la misma distancia de usted en la superficie de la cúpula. La parte superior de esa cúpula, el punto directamente sobre su cabeza, se llama cenit, y donde la cúpula se encuentra con la Tierra se llama horizonte. Desde el mar o una pradera plana, es fácil ver el horizonte como un círculo a su alrededor, pero desde la mayoría de los lugares donde la gente vive hoy, el horizonte está al menos parcialmente oculto por montañas, árboles, edificios o smog.
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| El cielo que nos rodea. El horizonte es donde el cielo se encuentra con el suelo; el cenit de un observador es el punto directamente arriba. |
Si te acuestas en un campo abierto y observas el cielo nocturno durante horas, como lo hacían los pastores y viajeros antiguos, verás estrellas que se elevan en el horizonte oriental (al igual que el Sol y la Luna), moviéndose a través de la cúpula del cielo. en el transcurso de la noche y en el horizonte occidental. Mirando el cielo girar como esta noche tras noche, eventualmente podrías tener la idea de que la cúpula del cielo es realmente parte de una gran esfera que está girando a tu alrededor y que muestra diferentes estrellas a medida que gira. Los primeros griegos consideraban el cielo como una esfera celestial. Algunos lo consideraron como una esfera real de material cristalino transparente, con las estrellas incrustadas en ella como pequeñas joyas.
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| Círculos en la esfera celestial. Aquí mostramos la esfera celestial (imaginaria) alrededor de la Tierra, en la que se fijan los objetos y que gira alrededor de la Tierra en un eje. En realidad, es la Tierra la que gira alrededor de este eje, creando la ilusión de que el cielo gira a nuestro alrededor. Tenga en cuenta que la Tierra en esta imagen se ha inclinado para que su ubicación esté en la parte superior y el Polo Norte es donde está la N. La flecha circular muestra el movimiento aparente de los objetos celestes en el cielo alrededor del poste. |
A medida que la esfera celeste gira, los objetos en ella mantienen sus posiciones entre sí. Una agrupación de estrellas como el Big Dipper tiene la misma forma durante el transcurso de la noche, aunque gira con el cielo. Durante una sola noche, incluso los objetos que sabemos que tienen movimientos propios significativos, como los planetas cercanos, parecen fijos en relación con las estrellas. Solo los meteoritos — breves “estrellas fugaces” que se ven a la vista por solo unos segundos — se mueven apreciablemente con respecto a otros objetos en la esfera celeste. (Esto se debe a que no son estrellas en absoluto. Más bien, son pequeños pedazos de polvo cósmico, que se queman cuando golpean la atmósfera de la Tierra.) Podemos usar el hecho de que toda la esfera celeste parece girar para ayudarnos a establecer sistemas para hacer un seguimiento de qué cosas son visibles en el cielo y dónde están en un momento dado.
Polos celestes y ecuador celeste
Para ayudarnos a orientarnos en el cielo que gira, los astrónomos usan un sistema que extiende los puntos del eje de la Tierra hacia el cielo. Imagine una línea que atraviesa la Tierra, conectando los polos norte y sur. Este es el eje de la Tierra, y la Tierra gira alrededor de esta línea. Si extendemos esta línea imaginaria hacia afuera desde la Tierra, los puntos donde esta línea se cruza con la esfera celeste se denominan polo celeste norte y polo celeste sur. A medida que la Tierra gira alrededor de su eje, el cielo parece girar en la dirección opuesta alrededor de esos polos celestes. También (en nuestra imaginación) lanzamos el ecuador de la Tierra al cielo y lo llamamos el ecuador celestial. Se encuentra a medio camino entre los polos celestes, así como el ecuador de la Tierra se encuentra a medio camino entre los polos de nuestro planeta.
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| Rodeando el Polo Sur Celestial. Esta foto de larga exposición muestra los rastros dejados por las estrellas como resultado de la rotación aparente de la esfera celeste alrededor del polo celeste sur. (En realidad, es la Tierra la que gira). |
Si estuvieras parado en el Polo Norte de la Tierra, por ejemplo, verías el polo norte celeste sobre tu cenit. El ecuador celestial, a 90 ° de los polos celestes, se ubicaría a lo largo de su horizonte. Mientras observabas las estrellas durante el transcurso de la noche, todas darían vueltas alrededor del polo celeste, sin que ninguna se levantara ni se pusiera. Solo esa mitad del cielo al norte del ecuador celeste es visible para un observador en el Polo Norte. Del mismo modo, un observador en el Polo Sur vería solo la mitad sur del cielo.
Si estabas en el ecuador de la Tierra, por otro lado, ves que el ecuador celestial (que, después de todo, es solo una "extensión" del ecuador de la Tierra) pasa por encima de tu cenit. Los polos celestes, a 90 ° del ecuador celeste, deben estar en los puntos norte y sur de su horizonte. Cuando el cielo gira, todas las estrellas se elevan y se ponen; se mueven hacia arriba desde el lado este del horizonte y se dirigen hacia abajo en el lado oeste. Durante un período de 24 horas, todas las estrellas están sobre el horizonte exactamente la mitad del tiempo. (Por supuesto, durante algunas de esas horas, el Sol es demasiado brillante para que podamos verlos).
¿Qué vería un observador en las latitudes de los Estados Unidos o Europa? Recuerde, no estamos ni en el polo de la Tierra ni en el ecuador, sino en medio de ellos. Para aquellos en los Estados Unidos continentales y Europa, el polo norte celeste no está arriba ni en el horizonte, sino en el medio. Aparece sobre el horizonte norte a una altura angular, o altitud, igual a la latitud del observador. En San Francisco, por ejemplo, donde la latitud es 38 ° N, el polo celeste norte está 38 ° sobre el horizonte norte.
Para un observador a 38 ° N de latitud, el polo celeste sur está 38 ° debajo del horizonte sur y, por lo tanto, nunca es visible. A medida que la Tierra gira, todo el cielo parece girar sobre el polo norte celeste. Para este observador, las estrellas dentro de 38 ° del Polo Norte nunca pueden establecerse. Siempre están por encima del horizonte, día y noche. Esta parte del cielo se llama zona circumpolar norte. Para los observadores en los Estados Unidos continentales, Big Dipper, Little Dipper y Cassiopeia son ejemplos de grupos de estrellas en la zona circumpolar norte. Por otro lado, las estrellas dentro de los 38 ° del polo sur celeste nunca se elevan. Esa parte del cielo es la zona circumpolar sur. Para la mayoría de los observadores estadounidenses, la Cruz del Sur está en esa zona. (No se preocupe si no está familiarizado con los grupos de estrellas que acabamos de mencionar; los presentaremos más formalmente más adelante).
En este momento particular en la historia de la Tierra, sucede que hay una estrella muy cerca del polo norte celeste. Se llama Polaris, la estrella polar, y tiene la distinción de ser la estrella que mueve menos cantidad a medida que el cielo del norte gira cada día. Debido a que se movía muy poco mientras que las otras estrellas se movían mucho más, desempeñó un papel especial en la mitología de varias tribus nativas americanas, por ejemplo (algunas lo llamaron el "sujetador del cielo").
¿Cuál es tu ángulo?
Los astrónomos miden qué tan separados están los objetos en el cielo usando ángulos. Por definición, hay 360 ° en un círculo, por lo que un círculo que se extiende completamente alrededor de la esfera celestial contiene 360 °. La media esfera o cúpula del cielo contiene 180 ° desde el horizonte hasta el horizonte opuesto. Por lo tanto, si dos estrellas están separadas 18 °, su separación abarca aproximadamente 1/10 de la cúpula del cielo. Para darle una idea de cuán grande es un grado, la Luna llena tiene aproximadamente medio grado de ancho. Esto es aproximadamente el ancho de su dedo más pequeño (meñique) visto con el brazo extendido.
Salida y puesta del sol
Describimos el movimiento de las estrellas en el cielo nocturno, pero ¿qué pasa durante el día? Las estrellas continúan dando vueltas durante el día, pero el brillo del Sol las hace difíciles de ver. (Sin embargo, la Luna a menudo se puede ver a la luz del día). En cualquier día, podemos pensar que el Sol está ubicado en alguna posición en la hipotética esfera celeste. Cuando sale el Sol, es decir, cuando la rotación de la Tierra lleva al Sol sobre el horizonte, las moléculas de nuestra atmósfera dispersan la luz solar, llenando nuestro cielo de luz y ocultando las estrellas sobre el horizonte.
Durante miles de años, los astrónomos han sido conscientes de que el Sol hace más que simplemente levantarse y ponerse. Cambia de posición gradualmente en la esfera celeste, moviéndose cada día aproximadamente 1 ° hacia el este en relación con las estrellas. Muy razonablemente, los antiguos pensaban que esto significaba que el Sol se movía lentamente alrededor de la Tierra, tomando un período de tiempo que llamamos 1 año para hacer un círculo completo. Hoy, por supuesto, sabemos que es la Tierra la que gira alrededor del Sol, pero el efecto es el mismo: la posición del Sol en nuestro cielo cambia día a día. Tenemos una experiencia similar cuando caminamos alrededor de una fogata por la noche; vemos las llamas aparecer frente a cada persona sentada a su vez alrededor del fuego.
El camino que el Sol parece tomar alrededor de la esfera celestial cada año se llama eclíptica. Debido a su movimiento en la eclíptica, el Sol sale aproximadamente 4 minutos más tarde cada día con respecto a las estrellas. La Tierra debe hacer un poco más de una rotación completa (con respecto a las estrellas) para que el Sol vuelva a salir.
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| Círculos de estrellas en diferentes latitudes. El giro del cielo se ve diferente dependiendo de su latitud en la Tierra. (a) En el Polo Norte, las estrellas rodean el cenit y no se elevan y establecen. (b) En el ecuador, los polos celestes están en el horizonte, y las estrellas se elevan hacia arriba y hacia abajo. (c) En latitudes intermedias, el polo celeste norte se encuentra en alguna posición entre la parte superior y el horizonte. Su ángulo sobre el horizonte resulta ser igual a la latitud del observador. Las estrellas se elevan y se colocan en ángulo con el horizonte. |
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| Constelaciones en la eclíptica. A medida que la Tierra gira alrededor del Sol, nos sentamos en la "Plataforma de la Tierra" y vemos al Sol moviéndose alrededor del cielo. El círculo en el cielo que el Sol parece hacer a nuestro alrededor en el transcurso de un año se llama eclíptica. Este círculo (como todos los círculos en el cielo) atraviesa un conjunto de constelaciones. Los antiguos pensaban que estas constelaciones, que visitaron el Sol (y la Luna y los planetas), deben ser especiales y las incorporaron a su sistema de astrología. Tenga en cuenta que en cualquier época del año, algunas de las constelaciones cruzadas por la eclíptica son visibles en el cielo nocturno; otros están en el cielo del día y, por lo tanto, están ocultos por el brillo del sol. |
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| La inclinación celestial. El ecuador celeste está inclinado 23.5 ° hacia la eclíptica. Como resultado, los norteamericanos y los europeos ven el Sol al norte del ecuador celeste y alto en nuestro cielo en junio, y al sur del ecuador celestial y bajo en el cielo en diciembre. |
El Sol no es el único objeto que se mueve entre las estrellas fijas. La Luna y cada uno de los planetas que son visibles a simple vista (Mercurio, Venus, Marte, Júpiter, Saturno y Urano (aunque apenas)) también cambian sus posiciones lentamente de un día a otro. Durante un solo día, la Luna y los planetas se levantan y se ponen a medida que la Tierra gira, tal como lo hacen el Sol y las estrellas. Pero al igual que el Sol, tienen movimientos independientes entre las estrellas, superpuestos en la rotación diaria de la esfera celeste. Al darse cuenta de estos movimientos, los griegos de hace 2000 años distinguieron entre lo que llamaron las estrellas fijas, aquellas que mantienen patrones fijos entre sí a través de muchas generaciones, y las estrellas errantes, o planetas. La palabra "planeta", de hecho, significa "vagabundo" en griego antiguo.
Hoy, no consideramos el Sol y la Luna como planetas, pero los antiguos aplicaron el término a los siete objetos en movimiento en el cielo. Gran parte de la astronomía antigua se dedicó a observar y predecir los movimientos de estos vagabundos celestiales. Incluso dedicaron una unidad de tiempo, la semana, a los siete objetos que se mueven solos; Por eso hay 7 días en una semana. La Luna, siendo el vecino celestial más cercano de la Tierra, tiene el movimiento aparente más rápido; completa un viaje alrededor del cielo en aproximadamente 1 mes (o luna). Para hacer esto, la Luna se mueve aproximadamente 12 °, o 24 veces su propio ancho aparente en el cielo, cada día.
Ejemplo:
Ángulos en el cielo
Un círculo consta de 360 grados (°). Cuando medimos el ángulo en el cielo que algo se mueve, podemos usar esta fórmula:
Como ejemplo, digamos que notas la brillante estrella Sirio hacia el sur desde tu ubicación de observación en el hemisferio norte. Anotas el tiempo, y luego, notas el tiempo que Sirius establece debajo del horizonte. Usted encuentra que Sirius ha recorrido una distancia angular de aproximadamente 75 ° en 5 h. ¿Aproximadamente cuántas horas le tomará a Sirius regresar a su ubicación original?
Solución
La velocidad de Sirius es
Si queremos saber el tiempo requerido para que Sirius regrese a su ubicación original, debemos esperar hasta que dé la vuelta a un círculo completo, o 360 °. Al reorganizar la fórmula para la velocidad que nos dieron originalmente, encontramos:
Comprueba tu aprendizaje
La Luna se mueve en el cielo en relación con las estrellas de fondo (además de moverse con las estrellas como resultado de la rotación de la Tierra). Salga de noche y observe la posición de la Luna en relación con las estrellas cercanas. Repita la observación unas horas más tarde. ¿Qué tan lejos se ha movido la Luna? (Como referencia, el diámetro de la Luna es de aproximadamente 0.5 °.) Según su estimación de su movimiento, ¿cuánto tiempo le tomará a la Luna volver a la posición relativa a las estrellas en las que la observó por primera vez?
Respuesta
La velocidad de la luna es 0.5 ° / 1 h. Para moverse 360 ° completos, la luna necesita 720 h=
Dividir 720 h por el factor de conversión de 24 h / día revela que el ciclo lunar es de aproximadamente 30 días.
Los caminos individuales de la Luna y los planetas en el cielo se encuentran cerca de la eclíptica, aunque no exactamente en ella. Esto se debe a que los caminos de los planetas alrededor del Sol, y de la Luna sobre la Tierra, están casi en el mismo plano, como si fueran círculos en una gran hoja de papel. Los planetas, el Sol y la Luna siempre se encuentran en el cielo dentro de un estrecho cinturón de 18 grados de ancho, centrado en la eclíptica, llamado zodiaco. (La raíz del término "zodiaco" es la misma que la de la palabra "zoológico" y significa una colección de animales; muchos de los patrones de estrellas dentro del cinturón del zodiaco recordaban a los antiguos animales, como un pez o una cabra .)
La forma en que los planetas parecen moverse en el cielo a medida que pasan los meses es una combinación de sus movimientos reales más el movimiento de la Tierra sobre el Sol; en consecuencia, sus caminos son algo complejos. Como veremos, esta complejidad ha fascinado y desafiado a los astrónomos durante siglos.
Constelaciones
El telón de fondo para los movimientos de los "vagabundos" en el cielo es el dosel de las estrellas. Si no hubiera nubes en el cielo y estuviéramos en una llanura plana sin nada que obstruyera nuestra vista, podríamos ver unas 3000 estrellas a simple vista. Para orientarse alrededor de tanta multitud, los antiguos encontraron agrupaciones de estrellas que formaban un patrón geométrico familiar o (más raramente) se parecían a algo que sabían. Cada civilización encontró sus propios patrones en las estrellas, como una prueba moderna de Rorschach en la que se le pide que discierna patrones o imágenes en un conjunto de manchas de tinta. Los antiguos chinos, egipcios y griegos, entre otros, encontraron sus propias agrupaciones (o constelaciones) de estrellas. Estos fueron útiles para navegar entre las estrellas y transmitir su historia de estrellas a sus hijos.
Es posible que esté familiarizado con algunos de los viejos patrones de estrellas que todavía usamos hoy en día, como Big Dipper, Little Dipper y Orion the hunter, con su distintivo cinturón de tres estrellas (Figura 2.8). Sin embargo, muchas de las estrellas que vemos no son parte de un patrón de estrella distintivo en absoluto, y un telescopio revela millones de estrellas demasiado débiles para que el ojo las vea. Por lo tanto, durante las primeras décadas del siglo XX, los astrónomos de muchos países decidieron establecer un sistema más formal para organizar el cielo.
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| Orión. (a) La constelación de invierno de Orión, el cazador, está rodeada de constelaciones vecinas, como se ilustra en el atlas del siglo XVII por Hevelius. (b) Una fotografía muestra la región de Orión en el cielo. Tenga en cuenta las tres estrellas azules que forman el cinturón del cazador. La estrella roja brillante sobre el cinturón denota su axila y se llama Betelgeuse (pronunciado "jugo de Beetel"). La estrella azul brillante debajo del cinturón es su pie y se llama Rigel. |
Los estudiantes a veces se quedan perplejos porque las constelaciones rara vez se parecen a las personas o animales por los cuales fueron nombrados. Con toda probabilidad, los propios griegos no nombraron agrupaciones de estrellas porque parecían personas o sujetos reales (más de lo que el contorno del estado de Washington se parece a George Washington). Más bien, nombraron secciones del cielo en honor a los personajes en su mitología y luego ajustaron las configuraciones de las estrellas a los animales y las personas lo mejor que pudieron.
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