2.1: El cielo de arriba
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Objetivos de aprendizaje
Al final de esta sección, podrás:
- Definir las principales características de la esfera celeste
- Explicar el sistema que utilizan los astrónomos para describir el cielo
- Describe cómo nos aparecen los movimientos de las estrellas en la Tierra
- Describir cómo nos aparecen los movimientos del Sol, la Luna y los planetas en la Tierra
- Comprender el significado moderno del término constelación
Nuestros sentidos nos sugieren que la Tierra es el centro del universo, el centro alrededor del cual giran los cielos. Esta visión geocéntrica (centrada en la Tierra) era lo que casi todos creían hasta el Renacimiento europeo. Después de todo, es simple, lógico y aparentemente evidente por sí mismo. Además, la perspectiva geocéntrica reforzó aquellos sistemas filosóficos y religiosos que enseñaban el papel único del ser humano como foco central del cosmos. Sin embargo, la visión geocéntrica pasa a estar equivocada. Uno de los grandes temas de nuestra historia intelectual es el derrocamiento de la perspectiva geocéntrica. Echemos, pues, un vistazo a los pasos por los cuales reevaluamos el lugar de nuestro mundo en el orden cósmico.
La Esfera Celestial
Si vas de campamento o vives lejos de las luces de la ciudad, tu 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, tienes la impresión de que el cielo es una gran cúpula hueca contigo en el centro (Figura\(\PageIndex{1}\)), y todas las estrellas están a la misma distancia de ti en la superficie de la cúpula. La parte superior de esa cúpula, el punto directamente encima de tu cabeza, se llama el 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 tu alrededor, pero desde la mayoría de los lugares donde vive la gente hoy, el horizonte está al menos parcialmente oculto por montañas, árboles, edificios o smog.
Si te recuestas en campo abierto y observas el cielo nocturno durante horas, como hacían regularmente antiguos pastores y viajeros, verás estrellas elevándose en el horizonte oriental (tal como lo hacen el Sol y la Luna), moviéndose a través de la cúpula del cielo en el transcurso de la noche, y poniéndose en el horizonte occidental. Al ver el cielo girar así noche tras noche, es posible que eventualmente te hagas la idea de que la cúpula del cielo es realmente parte de una gran esfera que está girando a tu alrededor, trayendo diferentes estrellas a la vista a medida que gira. Los primeros griegos consideraban el cielo como tal esfera celeste (Figura\(\PageIndex{2}\)). Algunos la pensaban como una esfera real de material cristalino transparente, con las estrellas incrustadas en ella como pequeñas joyas.
Hoy, sabemos que no es la esfera celeste la que gira a medida que avanzan la noche y el día, sino más bien el planeta en el que vivimos. Podemos poner un palo imaginario a través de los polos Norte y Sur de la Tierra, representando el eje de nuestro planeta. Es porque la Tierra gira sobre este eje cada 24 horas que vemos al Sol, la Luna y las estrellas elevarse y ponerse con regularidad de relojería. Hoy en día, sabemos que estos objetos celestes no están realmente en una cúpula, sino a distancias muy variables de nosotros en el espacio. Sin embargo, a veces sigue siendo conveniente hablar de la cúpula o esfera celeste para ayudarnos a realizar un seguimiento de los objetos en el cielo. Incluso hay un teatro especial, llamado planetario, en el que proyectamos una simulación de las estrellas y planetas sobre una cúpula blanca.
A medida que la esfera celeste gira, los objetos sobre ella mantienen sus posiciones uno con respecto al otro. Una agrupación de estrellas como la Osa Mayor 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 significativos propios, como los planetas cercanos, parecen fijos en relación con las estrellas. Sólo los meteoros—breves “estrellas fugaces” que brillan a la vista por 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 trozos de polvo cósmico, que se queman cuando golpean la atmósfera de la Tierra.) Podemos usar el hecho de que toda la esfera celeste parece volverse junta para ayudarnos a establecer sistemas para hacer un seguimiento de qué cosas son visibles en el cielo y dónde pasan a estar en un momento dado.
Polos Celestiales y Ecuador Celestial
Para ayudarnos a orientarnos en el cielo que gira, los astrónomos utilizan un sistema que extiende los puntos del eje de la Tierra hacia el cielo. Imagina 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 dirección opuesta alrededor de esos polos celestes (Figura\(\PageIndex{3}\)). También (en nuestra imaginación) lanzamos el ecuador de la Tierra al cielo y llamamos a esto el ecuador celeste. 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.
Ahora imaginemos cómo montar en diferentes partes de nuestra Tierra giratoria afecta nuestra visión del cielo. El movimiento aparente de la esfera celeste depende de tu latitud (posición norte o sur del ecuador). En primer lugar, observe que el eje de la Tierra está apuntando a los polos celestes, por lo que estos dos puntos en el cielo no parecen girar.
Si estuvieras parado en el Polo Norte de la Tierra, por ejemplo, verías el polo celeste norte arriba, en tu cenit. El ecuador celeste, a 90° de los polos celestes, estaría a lo largo de tu horizonte. Mientras observabas las estrellas durante el transcurso de la noche, todas giraban alrededor del polo celeste, sin que ninguna se levantara ni se estableciera. Sólo esa mitad del cielo al norte del ecuador celeste es siempre visible para un observador en el Polo Norte. De igual manera, un observador en el Polo Sur vería sólo la mitad sur del cielo.
Si estuvieras en el ecuador de la Tierra, por otro lado, ves que el ecuador celeste (que, después de todo, es solo una “extensión” del ecuador de la Tierra) pasar por encima de tu cenit. Los polos celestes, estando a 90° del ecuador celeste, deben estar entonces en los puntos norte y sur de tu horizonte. A medida que el cielo gira, todas las estrellas se elevan y se ponen; se mueven hacia arriba desde el lado este del horizonte y se fijan directamente hacia abajo en el lado oeste. Durante un periodo de 24 horas, todas las estrellas están por encima del horizonte exactamente la mitad del tiempo. (Por supuesto, durante algunas de esas horas, el Sol es demasiado brillante para que podamos verlas).
¿Qué vería un observador en las latitudes de Estados Unidos o Europa? Recuerden, no estamos ni en el polo de la Tierra ni en el ecuador, sino entre ellos. Para los que se encuentran en los Estados Unidos continentales y Europa, el polo celeste norte no está en lo alto 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 se encuentra 38° por encima del horizonte norte.
Para un observador a 38° N de latitud, el polo celeste sur se encuentra 38° por debajo del horizonte sur y, por lo tanto, nunca es visible. A medida que la Tierra gira, todo el cielo parece girar alrededor del polo celeste norte. Para este observador, las estrellas dentro de los 38° del Polo Norte nunca podrán establecer. Siempre están por encima del horizonte, de día y de noche. A esta parte del cielo se le llama la zona circumpolar norte. Para los observadores en los Estados Unidos continentales, la Osa Grande, la Osa Pequeña y la Casiopea son ejemplos de grupos estelares en la zona circumpolar norte. Por otro lado, las estrellas dentro de los 38° del polo celeste sur nunca se elevan. Esa parte del cielo es la zona circunpolar sur. Para la mayoría de los observadores estadounidenses, la Cruz del Sur se encuentra en esa zona. (No te preocupes si no estás familiarizado con los grupos estelares que acabamos de mencionar; los presentaremos más formalmente más adelante).
El Laboratorio Rotativo del Cielo, creado por la Universidad de Nebraska—Lincoln, ofrece una demostración interactiva que introduce el sistema de coordenadas del horizonte, la rotación aparente del cielo y permite explorar la relación entre el horizonte y los sistemas de coordenadas ecuatoriales celestes.
En este momento particular de la historia de la Tierra, sucede que hay una estrella muy cerca del polo celeste norte. Se llama Polaris, la estrella polar, y tiene la distinción de ser la estrella que menos se mueve a medida que el cielo del norte gira cada día. Debido a que se movió tan poco mientras que las otras estrellas se movían mucho más, jugó 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 lejos aparecen 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 celeste contiene 360°. La media esfera o cúpula del cielo contiene entonces 180° de horizonte a horizonte opuesto. Así, si dos estrellas están separadas 18°, su separación abarca alrededor de 1/10 de la cúpula del cielo. Para darte una idea de lo grande que es un grado, la Luna Llena tiene aproximadamente medio grado de ancho. Esto es aproximadamente el ancho de tu dedo más pequeño (meñique) visto a lo largo del brazo.
Levantamiento y puesta del sol
Describimos el movimiento de las estrellas en el cielo nocturno, pero ¿y durante el día? Las estrellas siguen 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 un día cualquiera, podemos pensar en el Sol como si estuviera ubicado en alguna posición de la hipotética esfera celeste. Cuando el Sol se levanta —es decir, cuando la rotación de la Tierra lleva al Sol por encima del horizonte— la luz solar es dispersada por las moléculas de nuestra atmósfera, 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 sobre la esfera celeste, moviéndose cada día alrededor de 1° hacia el este con relación a las estrellas. Muy razonablemente, los antiguos pensaban que esto significaba que el Sol se movía lentamente alrededor de la Tierra, tomando un periodo de tiempo que llamamos 1 año para hacer un círculo completo. Hoy, por supuesto, sabemos que es la Tierra la que va 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 alrededor del fuego en turno.
El camino que el Sol parece tomar alrededor de la esfera celeste cada año se llama la eclíptica (Figura\(\PageIndex{4}\)). Debido a su movimiento sobre la eclíptica, el Sol sale aproximadamente 4 minutos después cada día con respecto a las estrellas. La Tierra debe hacer solo un poco más de una rotación completa (con respecto a las estrellas) para que el Sol vuelva a subir.
A medida que pasan los meses y miramos al Sol desde diferentes lugares de nuestra órbita, lo vemos proyectado contra diferentes lugares de nuestra órbita, y así contra diferentes estrellas de fondo (Figura\(\PageIndex{5}\) y Tabla\(\PageIndex{1}\)) —o lo haríamos, al menos, si pudiéramos ver las estrellas durante el día. En la práctica, debemos deducir qué estrellas se encuentran detrás y más allá del Sol observando las estrellas visibles en dirección opuesta por la noche. Después de un año, cuando la Tierra haya completado un viaje alrededor del Sol, el Sol parecerá haber completado un circuito del cielo a lo largo de la eclíptica.
| Constelación sobre la eclíptica | Fechas en las que el sol lo cruza |
|---|---|
| Capricornus | Del 21 de enero al 16 de febrero |
| Acuario | 16 de febrero—11 de marzo |
| Piscis | 11 de marzo—18 de abril |
| Aries | 18 de abril—13 de mayo |
| Tauro | Del 13 de mayo al 22 de junio |
| Gemini | 22 de junio a 21 de julio |
| Cáncer | Del 21 de julio al 10 de agosto |
| Leo | 10 de agosto—16 de septiembre |
| Virgo | Del 16 de septiembre al 31 de octubre |
| Libra | 31 de octubre—23 de noviembre |
| Scorpius | 23 de noviembre—29 de noviembre |
| Ofiuco | 29 de noviembre—18 de diciembre |
| Sagitario | 18 de diciembre—21 de enero |
La eclíptica no se encuentra a lo largo del ecuador celeste sino que se inclina hacia él en un ángulo de aproximadamente 23.5°. Es decir, la trayectoria anual del Sol en el cielo no está vinculada con el ecuador de la Tierra. Esto se debe a que el eje de rotación de nuestro planeta está inclinado aproximadamente 23.5° desde una línea vertical que sobresale del plano de la eclíptica (Figura\(\PageIndex{7}\)). Estar inclinado de “recto hacia arriba” no es nada inusual entre los cuerpos celestes; Urano y Plutón en realidad están tan inclinados que orbitan el Sol “de su lado”.
La inclinación de la eclíptica es la razón por la que el Sol se mueve al norte y al sur en el cielo a medida que cambian las estaciones. En Tierra, Luna y Cielo, discutimos la progresión de las estaciones con más detalle.
Estrellas fijas y errantes
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 de posición lentamente día a día. 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 a 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 —las 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 en día, no consideramos al Sol y a 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 errantes celestiales. Incluso dedicaron una unidad de tiempo, la semana, a los siete objetos que se mueven por su cuenta; por eso hay 7 días en una semana. La Luna, siendo el vecino celeste más cercano de la Tierra, tiene el movimiento aparente más rápido; completa un viaje alrededor del cielo en aproximadamente 1 mes (o luna). Para ello, la Luna se mueve alrededor de 12°, o 24 veces su propio ancho aparente en el cielo, cada día.
Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Ángulos en el cielo
Un círculo consta de 360 grados (°). Cuando medimos el ángulo en el cielo que algo mueve, podemos usar esta fórmula:
\[\text{speed}=\dfrac{\text{distance}}{\text{time}} \nonumber\]
Esto es cierto ya sea que el movimiento se mida en kilómetros por hora o grados por hora; solo necesitamos usar unidades consistentes.
Como ejemplo, digamos que notas la estrella brillante Sirio que va hacia el sur desde tu ubicación de observación en el hemisferio norte. Se nota el tiempo, y después, se nota el tiempo que Sirio pone por debajo del horizonte. Encuentras que Sirio ha recorrido una distancia angular de unos 75° en 5 h ¿Aproximadamente cuántas horas tardará Sirio en regresar a su ubicación original?
Solución
La velocidad de Sirius es
\[\dfrac{75°}{5\,h}=\dfrac{15°}{1\,h} \nonumber\]
Si queremos saber el tiempo requerido para que Sirius regrese a su ubicación original, tenemos que esperar hasta que dé la vuelta a un círculo completo, o 360°. Reorganizando la fórmula para la velocidad que originalmente nos dieron, encontramos:
\[\text{time}=\dfrac{\text{distance}}{\text{speed}} = \dfrac{360°}{15°/h}=24\,h \nonumber\]
El tiempo real es unos minutos más corto que este, y exploraremos por qué en un capítulo posterior.
Ejercicio\(\PageIndex{1}\)
La Luna se mueve en el cielo con relación a las estrellas de fondo (además de moverse con las estrellas como resultado de la rotación de la Tierra). Salir por la noche y anotar la posición de la Luna en relación con las estrellas cercanas. Repita la observación unas horas después. ¿Hasta dónde se ha movido la Luna? (Para referencia, el diámetro de la Luna es de aproximadamente 0.5°.) Con base en su estimación de su movimiento, ¿cuánto tiempo tardará la Luna en regresar a la posición relativa a las estrellas en las que la observó por primera vez?
- Contestar
-
La velocidad de la luna es de 0.5°/1 h. Para moverse un 360° lleno, la luna necesita 720 h: 0.5°1h=360°720h.0.5°1h=360°720h.
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 todos cerca de la eclíptica, aunque no exactamente sobre ella. Esto se debe a que los caminos de los planetas alrededor del Sol, y de la Luna alrededor de la Tierra, están todos en casi el mismo plano, como si fueran círculos en una enorme hoja de papel. Los planetas, el Sol y la Luna se encuentran así siempre en el cielo dentro de un estrecho cinturón de 18 grados de ancho, centrado en la eclíptica, llamado zodíaco (Figura\(\PageIndex{5}\)). (La raíz del término “zodíaco” 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 zodíaco recordaban a los antiguos animales, como un pez o una cabra).
Cómo 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 alrededor del 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 de 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 alrededor de 3000 estrellas a simple vista. Para encontrar su camino alrededor de tal multitud, los antiguos encontraron agrupaciones de estrellas que hacían algún patrón geométrico familiar o (más raramente) se parecían a algo que conocían. Cada civilización encontró sus propios patrones en las estrellas, al igual que una prueba moderna de Rorschach en la que se te pide discernir 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 para transmitir su tradición estelar a sus hijos.
Quizás estés familiarizado con algunos de los viejos patrones estelares que todavía usamos hoy en día, como la Osa Mayor, la Osa Pequeña y Orión el cazador, con su distintivo cinturón de tres estrellas (Figura\(\PageIndex{7}\)). Sin embargo, muchas de las estrellas que vemos no forman parte de un patrón estelar 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, astrónomos de muchos países decidieron establecer un sistema más formal para organizar el cielo.
Hoy, usamos el término constelación para significar uno de los 88 sectores en los que dividimos el cielo, tanto como Estados Unidos se divide en 50 estados. Los límites modernos entre las constelaciones son líneas imaginarias en el cielo que corren de norte, sur y este-oeste, de manera que cada punto del cielo cae en una constelación específica, aunque, como los estados, no todas las constelaciones son del mismo tamaño. Todas las constelaciones están listadas en el Apéndice L. Siempre que sea posible, hemos nombrado a cada constelación moderna según las traducciones latinas de uno de los antiguos patrones estelares griegos que se encuentran dentro de ella. Así, la constelación moderna de Orión es una especie de caja en el cielo, que incluye, entre muchos otros objetos, las estrellas que conformaban el cuadro antiguo del cazador. Algunas personas usan el término asterismo para denotar un patrón estelar especialmente notable dentro de una constelación (o a veces abarcando partes de varias constelaciones). Por ejemplo, la Osa Mayor es un asterismo dentro de la constelación de Osa Mayor, el Oso Grande.
A veces se desconcierta a los estudiantes porque las constelaciones rara vez se asemejan a las personas o animales por los que 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 de su mitología y luego ajustaron las configuraciones estelares a los animales y a las personas lo mejor que pudieron.
Este sitio web sobre objetos en el cielo permite a los usuarios construir un mapa del cielo detallado que muestra la ubicación y la información sobre el Sol, la Luna, los planetas, las estrellas, las constelaciones e incluso los satélites que orbitan la Tierra. Comience configurando su ubicación de observación usando la opción en el menú en la esquina superior derecha de la pantalla.
La evidencia directa de nuestros sentidos sostiene una perspectiva geocéntrica, con la esfera celeste pivotando sobre los polos celestes y girando alrededor de una Tierra estacionaria. Solo vemos la mitad de esta esfera a la vez, limitada por el horizonte; el punto directamente arriba es nuestro cenit. El camino anual del Sol en la esfera celeste es la eclíptica, una línea que recorre el centro del zodíaco, que es la franja del cielo de 18 grados de ancho dentro de la cual siempre encontramos la Luna y los planetas. La esfera celeste se organiza en 88 constelaciones, o sectores.
Glosario
- ecuador celeste
- un gran círculo sobre la esfera celeste a 90° de los polos celestes; donde la esfera celeste se cruza con el plano del ecuador de la Tierra
- polos celestes
- puntos sobre los cuales la esfera celeste parece girar; intersecciones de la esfera celeste con el eje polar de la Tierra
- esfera celeste
- la esfera aparente del cielo; una esfera de gran radio centrada en el observador; las direcciones de los objetos en el cielo se pueden denotar por su posición en la esfera celeste
- zona circumpolar
- aquellas porciones de la esfera celeste cerca de los polos celestes que están siempre arriba o siempre debajo del horizonte
- eclíptica
- la aparente trayectoria anual del Sol en la esfera celeste
- geocéntrico
- centrado en la Tierra
- horizonte (astronómico)
- un gran círculo sobre la esfera celeste a 90° del cenit; más popularmente, el círculo que nos rodea donde la cúpula del cielo se encuentra con la Tierra
- planeta
- hoy en día, cualquiera de los objetos más grandes que giran alrededor del Sol o cualquier objeto similar que orbita otras estrellas; en la antigüedad, cualquier objeto que se moviera regularmente entre las estrellas fijas
- zodiaco
- un cinturón alrededor del cielo alrededor de 18° de ancho centrado en el cenit eclíptico el punto en la esfera celeste opuesta a la dirección de la gravedad; apuntar directamente sobre el observador año el período de revolución de la Tierra alrededor del Sol