6. Esfera celeste. PIAM - U.C.R. (Clase del 10/05/2023)

Material de lectura para el curso “Conversemos sobre astronomía”
clase del miércoles 10 de mayo de 2023
13:00 a 14:40. Aula 306. Edificio de Física y Matemática. U.C.R.

José Alberto Villalobos Morales|
villalobosjosealberto@gmail.com

La esfera celeste
Un observador en la Tierra puede considerar totalmente válido, para ciertos propósitos, especialmente los relacionados con la observación del firmamento que:

• Está en el centro del universo y que éste se extiende en todas direcciones.

De esa manera, los astros se consideran proyectados sobre una esfera de radio indefinido, denominada la esfera celeste (https://en.wikipedia.org/wiki/Celestial_sphere), que rota de Este a Oeste cada 24 horas.

Pero también, poco a poco, durante un año y entonces nos muestra durante las siguientes noches, diferentes regiones del cielo.

Observando la Luna, el Sol, los planeta, durante las ocultaciones (https://en.wikipedia.org/wiki/Occultation) de estrellas, los tránsitos (https://en.wikipedia.org/wiki/Transit_%28astronomy%29) de Mercurio y de Venus, y los eclipses, se puede concluir que: a excepción de los meteoros;

• La Luna es el objeto celeste más cercano.

• Venus y Mercurio a veces están más cerca que el Sol, durante conjunciones inferiores, (https://en.wikipedia.org/wiki/Conjunction_%28astronomy%29) y otras veces al otro lado (conjunciones superiores). 
  
  
• Luego tendríamos el Sol y los demás planetas y por último las estrellas, nebulosas, galaxias  y otros cuerpos celestes.
  Sin embargo, para el concepto de esfera celeste, estas distancias no tienen mucha importancia, o mejor, no las tomamos en cuenta, por ahora.
  
  
• Nos parece que todos los objetos, aún los satélites artificiales están en la esfera celeste. 
  Siguiendo esta consideración se diseñan planetarios y se definen los sistema de coordenadas.
  
  
• Todas las estrellas tienen movimiento propio (no están fijas a la esfera celeste).
  
  
• Sin embargo, este movimiento, visto desde la Tierra, es muy pequeño y por eso hablamos de estrellas fijas, girando con la esfera celeste.

No es necesario para el astrónomo aficionado, hacer correcciones en la posición de los astros, al menos para un período corto (nos 50 años).

• La esfera celeste gira uniformemente en torno a un eje que es el mismo eje de rotación de la Tierra. 
• Pero como esta gira de Oeste a Este (sentido antihorario), la esfera celeste gira de Este a Oeste (sentido horario).
  

La extensión del eje de rotación de la Tierra intercepta la esfera celeste en dos puntos, el polo norte celeste, muy cerca de la estrella Polaris (https://en.wikipedia.org/wiki/Polaris) y el polo sur celeste.

• A la mitad entre los polos celestesn está el ecuador celeste (https://en.wikipedia.org/wiki/Celestial_equator), justamente encima del ecuador terrestre.

Rotación de la esfera celeste
La esfera celeste gira en torno a la Tierra diariamente, lo cual se comprueba fácilmente observando durante una noche el desplazamiento de una determinada estrella.
Pero también gira anualmente, lo que puede verificarse de varias maneras. La más simple consiste en registrar la altitud de una determinada estrella, por ejemplo, cada 15 días a la misma hora. Estos dos movimientos de la esfera celeste son la consecuencia aparente del movimiento de rotación (https://en.wikipedia.org/wiki/Earth%27s_rotation) de la Tierra en torno a su eje y del movimiento de revolución alrededor del Sol.

 Un observador cuidadoso descubrirá rápidamente que debido al movimiento de revolución de la Tierra: 

• La esfera celeste gira alrededor de un grado por día (360°/365 días).

La observación durante una noche le permitirá concluir que debido al movimiento de rotación de la Tierra:

• La esfera celeste gira quince grados por hora (360°/24 horas).
  
  

Al combinar el efecto de los movimientos de rotación y de revolución se puede establecer una regla práctica útil para quien observa el cielo: 

• Una estrella sale (o se oculta) por el horizonte, una hora más temprano cada quince días. 
• ¡Cuatro minutos, cada día!

¿Cuánto cielo se puede observar en una noche de observación?
Depende de la latitud del observador y desde luego de la fecha, pues hay una buena diferencia entre el número de horas de oscuridad entre un día cercano al solsticio del Norte (21 de junio ) y un día cercano al solsticio del Sur (21 de diciembre).

Además, debe tomar en cuenta el período entre el final del crepúsculo astronómico vespertino (https://en.wikipedia.org/wiki/Twilight), cuando el Sol está a 18° bajo el horizonte y el inicio del crepúsculo astronómico matutino; digamos que entre las 19:30 horas y las 4:30 de la mañana, unas nueve horas.

Con cielo claro y un horizonte plano y despejado, tenemos a disposición unos 180° en cualquier momento.
Si a esto se le agrega el resultado de esas 9 horas de rotación de la esfera celeste, que equivalen a otros 135°, podemos afirmar que en condiciones ideales ese observador podría tener a su disposición unos 7/8 de la esfera celeste en una noche perfecta.

Observando desde el polo norte
Desde allí solo se pueden ver los astros que están en el hemisferio norte de la esfera celeste. Polaris estaría en el cenit (el punto sobre la cabeza del observador, a una altitud de 90° sobre el horizonte).

• Las estrella del hemisferio norte no se ocultarían, todas se mantendrían girando circumpolares, cada cual a una altitud fija sobre el horizonte. 
  
• Podría perfectamente usar algunas de las líneas imaginarias entre estrellas de las constelaciones boreales, como un gran reloj sideral.
• En el día del equinoccio el Sol estará en el horizonte como en un  indeciso amanecer (o atardecer) de 24 horas.
  
• Más interesante aún, cuando el Sol tenga la declinación apropiada (Norte o Sur según el hemisferio), durante la primavera y el verano, se mantendrá sobre el horizonte (a no más de 23,5° de altura), en un pálido día de unos seis meses. 
• Por el contrario, en otoño e invierno, el Sol nunca se elevará sobre el horizonte, como en una larga noche de seis meses.
• La observación desde el polo sur es análoga.

Observando desde el ecuador

Tendrá siempre el ecuador celeste sobre su cenit y verá la constelación ecuatorial Orión durante una buena parte del año, lo mismo que Ursa Mayor y el Triángulo Austral.

• Polaris estaría en el horizonte, coincidiendo con el punto norte geográfico y todo el cielo estaría disponible cada 24 horas.
  
  

Sólo tendría que esperar la noche apropiada para observar la Galaxia de Andrómeda o las Nubes de Magallanes.
Durante los equinoccios el Sol pasará a medio día por el cenit.

Observando desde latitud 10° Norte (¡Costa Rica!)

• La altitud del polo norte celeste (o de a estrella Polaris) sobre el horizonte es exactamente el mismo número de grados que la latitud del observador.

Esto puede demostrarse fácilmente con  geometría elemental.
También puede medirse la altitud de Polaris usando un transportador con un visor (un angosto tubito) y una plomada.
Para este observador, la estrella Polaris que no es fácil de visualizarn algunas veces; por su poca luminosidad (magnitud 1,99) y también porque su altitud es justamente 10°, apenas encima de las montañas y tal vez metida entre las nubes bajas.

Es por tanto valioso conocer métodos indirectos para identificarla;
Por medio de las indicadoras del gran sartén  en Ursa Major (https://en.wikipedia.org/wiki/Ursa_Major).
Por medio del cuadrilátero de Cassiopeia (https://en.wikipedia.org/wiki/Cassiopeia_%28constellation%29).

Desde Costa Rica no vemos nunca el Polo Sur C, pero tenemos la oportunidad de observar, en algún momento, astros con una declinación (https://en.wikipedia.org/wiki/Declination) entre +90° (noventa grados norte) y -80° (ochenta grados sur), unos 17/18 del cielo.

La Eclíptica
La órbita de la Tierra en torno al Sol se denominada la eclíptica. (https://en.wikipedia.org/wiki/Ecliptic). Al proyectarse sobre la esfera celeste, no coincide con el ecuador celeste.
Estos dos círculos imaginarios se interceptan en dos puntos denominados equinoccios.
Un observador que mira hacia el Sol (¡cuidado!), verá que este se mueve sobre la eclíptica en un año.

La palabra eclíptica viene de eclipse, ya que tanto los eclipses de Sol como los de Luna, ocurren a lo largo de ella, cuando las condiciones son favorables.
Todos los fenómenos relacionados con los planetas del Sistema Solar (conjunciones, ocultaciones, oposiciones, etc.) ocurren en una banda de unos 8° a ambos lados de la eclíptica, por lo que conocer su trayectoria, o al menos las trece constelaciones por las que pasa, es de suma importancia.

• La eclíptica es la línea central del zodiaco. (http://dionysia.org/astrology/sun-signs.html). 
• El Sol cruza el ecuador de Sur a Norte alrededor del 21 de marzo de cada año.
  
• El cruce de  Norte a Sur ocurre alrededor del 21 de setiembre.
  
• El ángulo entre la eclíptica y el ecuador para estas dos fechas es 23,5°.
• En los solsticios, cuando el  Sol tiene declinación 23,5°, la eclíptica es paralela al ecuador.
  

Altitud y azimut

• El cenit es el punto en la esfera celeste que está verticalmente sobre la cabeza del observador. El nadir es el punto opuesto.
• El horizonte es el círculo máximo sobre la esfera celeste, que está entre el cenit y el nadir.
  Este es el horizonte astronómico, que está centrado cada observador en un plano tangente a la Tierra. Es diferente del horizonte visible (el contorno irregular de las montañas donde se juntan la Tierra y el cielo).
  
• El meridiano del observador es el círculo máximo en la  esfera celeste, que pasa por los dos polos celestes y el cenit. El meridiano siempre encuentra al horizonte en el punto norte y en el punto sur.
• Sobre el meridiano los astros alcanzan  su punto más alto, denominado culminación superior.
  
• Cuando el sol cruza el meridiano es el mediodía solar local (¡en promedio, las 11:36 para Costa Rica!)

En el sistema de coordenadas horizontales, la posición de una estrella se da en términos de la altitud (h), que es la distancia angular de ésta sobre el horizonte, y el azimut (A), medido hacia el Este a lo largo del horizonte y a partir del punto norte (A = 0°).
La altitud se mide de 0 a  90°, tomándose negativa si el astro está bajo el horizonte. El azimut se mide de 0 a 360°.
El ecuador celeste encuentra al horizonte en los puntos Este (A= 90°) y Oeste (A= 180°) del observador.
La altitud y el azimut de un astro varían constantemente, debido a la rotación de la esfera celeste. Sin embargo, la inclinación del ecuador celeste con respecto al horizonte es constante (unos 80° para Costa Rica). 

Constelaciones

De una manera similar a como la Tierra está dividida en países, con fronteras arbitrarias más o menos estables, la esfera celeste se ha dividido en ochenta y ocho regiones cuidadosamente demarcadas por meridianos y paralelos, cada una de las cuales constituye una constelación (https://en.wikipedia.org/wiki/Constellation).

• Una constelación es simplemente una ventana delimitada (¡arbitrariamente!), desde la cual podemos ver una parte del universo. 

Las constelaciones no son entes físicos, son divisiones imaginarias, con fines de clasificación y observación.
En las constelaciones podemos encontrar estrellas de todo tipo, dobles, triples y múltiples, enanas, gigantes y supergigantes, asociaciones estelares, cúmulos globulares y abiertos, nebulosas, galaxias, pulsares, quásares, fugaces meteoros, errantes cometas, asteroides, y desde luego planetas en las constelaciones por donde pasa la eclíptica.

• Cualquier objeto en el cielo, en un momento dado, está en una y solo una constelación.

Los nombres de las constelaciones han sido establecidos arbitrariamente, atendiendo a consideraciones mitológicas, folklóricas y a uno que otro aspecto relacionado con exploraciones, descubrimientos, objetos y animales.

No es requisito para ser un buen astrónomo el tener que reconocer en el cielo, alguna forma relacionada con el nombre de la constelación. Lo importante es saber usar inteligentemente la información proporcionada en diagramas y mapas, para ubicar el objeto que deseamos observar.

Los asterismos (grupo de estrellas de una constelación, unidos por líneas imaginarias) son útiles para reconocer rápidamente las partes más notables (más visibles) de una constelación, y de allí proceder a la observación del objeto de interés.
Por eso memorizamos:

• el gran sartén en UrsaMajor, 
• la cafetera en Sagittarius, 
• el gran cuadrado en Pegasus, 
• el arado en Orion, 
• el delineado escorpión para la constelación Scorpius, o 
• el signo de pregunta invertido para Leo.
  
  

Los asterismos pueden ser muy personales y creativos, mientras le funcionen a quien los usa. Para mí y un grupo de amigos siempre ha dado buenos resultados identificar  una parte del jarrón en Aquarius, con el símbolo distintivo de los autos Mercedes-Benz, o la cabeza del dragón en la constelación Draco con un simple el matamoscas.

Las constelaciones tienen diferente tamaño, las tres más grandes son Hydra (1302,8 grados²), Virgo (1294,4 grados²) y Ursa Major (1279,7 grados²).
Las tres más pequeñas son Sagitta (79,9 grados²), Equuleus (71,6 grados²) y Crux (68,4 grados²).
En este sitio de la Unión Astronómica Internacional (http://www.iau.org/public/themes/constellations/), encuentra los mapas de las 88 constelaciones.