Astronomía

Astronomia del movimiento de la Tierra en el espacio

Observadores de estrellas y observadores del Sol     

Observadores de los Cielos Los antiguos astrónomos, especialmente los sacerdotes de Egipto y Babilonia, países semidesérticos, donde los cielos raramente están nublados, estaban fascinados por el dosel tachonado de estrellas que parecía arquearse sobre sus cabezas y por el ciclo diario del Sol, el cual parece ser sobrenatural, más allá del entendimiento. El antiguo autor del Salmo 19 escribió:

Los cielos pregonan la gloria de Dios, y el firmamento anuncia la obra de sus manos; El día transmite el mensaje al día, y la noche a la noche transmite la noticia; No son discursos ni palabras, ni su voz se puede oír. Su pregón sale por toda la tierra, y sus palabras llegan hasta el confín del mundo. Puso en ellos una tienda para el sol, el cual, semejante al esposo que sale de su tálamo, se recrea, como un atleta, corriendo su carrera. Sale de un extremo de los cielos, y su curso llega hasta el otro extremo, sin que haya nada que a su ardor escape.

Este, Oeste, Sur y Norte ¡ Imagine que fuera uno de los antiguos observadores celestes de Babilonia!. Vive en una llanura y, hasta donde puede ver, el mundo a su alrededor es plano (sólo cuidadosas observaciones de la superficie de los océanos sugieren algo diferente - ver la sección #8). Su visión está limitada por el horizonte, una línea imaginaria que le rodea totalmente a una distancia de unos pocos kilómetros, o el equivalente en las unidades de medida que usaran los babilonios.     Observando un día tras otro, nota que el sol siempre sale más o menos en la misma dirección, que llama Este. Se pone en la dirección opuesta, que llama Oeste. En medio, el sol se eleva formando un largo arco, y su punto más alejado del horizonte, a medio camino entre la salida y la puesta, está en una dirección que llama Sur. Finalmente, la dirección opuesta al Sur será el Norte.     Cuando el sol está cerca del horizonte, poco después de la salida o poco antes de la puesta, un palo o una viga vertical lanzará unalarga sombra. En el punto más alto del movimiento del sol, cuando este está en el sur, la sombra tendrá su tamaño más corto. El momento en que esto ocurre está a medio camino entre la salida y la puesta, y le llamamos mediodía o "el mediodía solar", porque "el mediodía según el reloj" puede ser diferente. Después del mediodía las sombras de nuevo crecen en longitud, a medida que el sol baja hacia el horizonte.     Como la sombra siempre apunta en dirección opuesta al sol: Al amanecer, con el sol en el Este, apunta hacia el Oeste. Al mediodía, con el Sol en el Sur, apunta al Norte. A la puesta, con el Sol en el Oeste, apunta hacia el Este. Ese es el principio del reloj de sol, discutido en la sección #2a. Las sombras más cortas durante el día indican la dirección del Norte.     Suponga que observa al Sol salir y meterse día tras día. Utilizando como marcas algunas características en el horizonte -árboles, casas, etc.- pronto se da cuenta que los puntos donde el Sol surge y se pone no son siempre los mismos, sino que se desplazan semana tras semana. Por otro lado, la dirección Sur donde el Sol está más alto sobre el horizonte no cambia, ni tampoco lo hace ese Norte, al que apunta la sombra más corta del día. Debido a que esas direcciones están fijadas, es mejor elegir como "verdadero" Este y Oeste aquellas direcciones que son perpendiculares a la dirección Norte-Sur. Sólamente dos veces cada año la salida y la puesta del Sol están exactamente en esas direcciones, pero ayudan a medir y comprender lo que sucede en el resto del año. Las Estaciones del Año          Incluso en Babilonia el año tiene estaciones: los inviernos son fríos, los veranos son secos y tórridos. Como ya se ha señalado, dos veces al año, a medio camino entre el verano y el invierno, el Sol se asoma exactamente por el Este (como se definió más arriba) y se oculta exactamente por el Oeste (bueno, casi exactamente, en ambos casos). Nosotros ahora sabemos que en los días es que esto ocurre, el día y la noche son muy iguales en longitud, y ese momento del año es denominado, por tanto, "equinocio". Un equinocio acontece en el otoño ("equinocio de otoño") y el otro en la primavera ("equinocio de primavera"). (NOTA del AUTOR: "-ver-" es una raíz latina que significa "primavera").     Según avanza el otoño hacia el invierno, la localización de la salida del Sol se mueve hacia el Sur, al igual que la localización de la puesta. La pendiente de la curva trazada por el Sol no cambia, ni lo hace la velocidad con la cual el Sol parece moverse por ella, pero la longitud de la curva sí que cambia, se hace más corta. Alrededor del 21 de diciembre -el solsticio de invierno-, a medio camino entre las fechas equinociales (típicamente, el 23 de septiembre y el 21 de marzo), la salida y la puesta del Sol están tan lejos del Sur como pueden estarlo. Como resultado, el Sol realiza su recorrido más corto del año, el día es el más corto y la noche es la más larga. Otros días de la estación son también cortos, lo cual explica el tiempo más frío en invierno. El camino aparente del Sol a través del cielo. En verano, el camino del Sol es más largo, y por eso lo son también los días. En invierno el recorrido del Sol es más corto, así como también los días.     Tras ese momento, los puntos de salida y puesta del Sol migran hacia el Norte de nuevo, y los días se alargan. Esta emigración continúa más allá del equinocio (cuando está en su momento más veloz), y el Sol cruza el horizonte lo más alejado posible hacia el Norte alrededor del 21 de Junio, el "solsticio de verano" (celebrado en algunas culturas como "el día de mitad del verano"), el día más largo del año junto a la noche más corta del año. Después de eso, los días se acortan nuevamente a medida que la puesta y la salida migran de nuevo hacia el Sur. Los largos días del verano, por supuesto, se corresponden con el tiempo cálido del verano. La razón de este comportamiento se detallará en la sección #2 y en la sección #3. Elevación del Sol         La longitud del día no es la única razón por la que los veranos son cálidos y los inviernos fríos. Otra es la elevación del Sol sobre el horizonte. Cuando el Sol está cerca del horizonte, no sólo las sombras que proyecta son estiradas a una gran longitud, sino también su iluminación. Cualquier rayo de luz solar se extiende entonces a lo largo de una mayor distancia sobre el suelo, diluyendo su calor en un área mayor. El Sol de mediodía en invierno está bajo en el cielo, y su calentamiento es menos pronunciado, mientras que el Sol del verano puede estar casi sobre nuestras cabezas, calentando el terreno de una manera mucho más efectiva. Esto se discutirá más tarde en la sección #3a.     Los sacerdotes babilonios, que siguieron estos cambios regulares de salidas y puestas de Sol, pronto se dieron cuenta que les suministraba un preciso modo de medir el paso de las estaciones. Contaron los días entre solsticios y equinocios, y de aquí nació el primer calendario. Fue de gran ayuda para los agricultores, indicándoles cuándo debían prepararse para sembrar, cuándo podían esperar lluvia propia de la estación, y en Egipto, cuándo esperar la inundación anual del río Nilo, que fertilizaba la tierra. Como se describirá en la sección #6, otras culturas también tuvieron sus astrónomos y desarrollaron calendarios propios, es probable que de una forma parecida. La Esfera Celeste        El Sol gobierna el cielo diurno, pero por la noche, especialmente si la Luna no brilla, el espectáculo pertenece a las estrellas. Brillo y oscuridad se distribuyen aleatoriamente a través del firmamento formando extrañas y llamativas agrupaciones que saltan a la vista, en un número que parece inmenso. Para los antiguos observadores parecía como si la Tierra fuera el centro de una "esfera celeste" salpicada de estrellas, lo cual reforzaba la creencia, sostenida durante miles de años, de que nosotros éramos el centro del Universo.    Si observa las estrellas a lo largo de la noche, verá que la mayoría de ellas también surgen por el Este y se ponen por el Oeste, como el Sol y la Luna. De hecho, toda la esfera celeste parece rotar lentamente -una vuelta cada 24 horas- y, por tanto, la mitad de ella se encuentra oculta bajo el horizonte. Esta rotación trae constantemente afuera a nuevas estrellas sobre el horizonte del Este, mientras otras desaparecen detrás del horizonte al Oeste. En el dibujo de la izquierda el "cinturón" horizontal alrededor del globo puede ser interpretado como el horizonte, mientras la esfera misma gira alrededor de su eje.     Nosotros, por supuesto, sabemos que no es el Universo el que gira alrededor nuestro desde el Este hacia el Oeste, sino que nuestra Tierra es la única girando (del Oeste hacia el Este, ver nota al final). Pero es todavía conveniente hablar de "la rotación de la esfera celeste". Esa también haría que el cielo girase del modo en que parece hacerlo.     La mayoría de las estrellas mantienen posiciones fijas respecto de las demás, noche tras noche. El ojo las agrupa espontáneamente en figuras o constelaciones ("stella" es estrella en Latín), a las cuales cada cultura les ha dado sus propios nombres. Los nombres que nosotros usamos provienen de los antiguos griegos y romanos. Por ejemplo, Orión, el cazador, acompañado de cerca por sus dos fieles perros. Otros nombres evocan animales, cuyos nombres latinos se usan todavía: Scorpio, el escorpión; Leo, el león; Cygnus, el cisne; Ursa Major, la osa mayor, y así sucesivamente.     El Sol se mueve lentamente a través de este diseño, circulando alrededor de él una vez al año, siempre siguiendo el mismo camino entre las estrellas ("la eclíptica"). Los antiguos distinguieron doce constelaciones a lo largo de este camino, y por cuanto la mayoría están dedicadas a animales, son conocidas como el Zodíaco, el "círculo de los animales". El Sol pasa alrededor de un mes dentro de cada "signo del Zodíaco". La Luna se mueve cercana al recorrido del Sol, pero sólo le lleva más o menos un mes realizarlo, y unas pocas estrellas notables también se mueven cerca del él: los planetas. Volveremos más tarde a todo esto: todos los demás objetos celestes están firmemente situados y no se mueven, formando el "firmamento".    Como el globo en el dibujo, la esfera del cielo tiene dos puntos alrededor de los cuales gira, puntos que marcan su eje: los polos celestes. Las estrellas cerca de esos polos desfilan en círculos diarios alrededor de ellos, y cuanto más cerca están de ellos, más pequeños son los círculos (no tienen salida ni puesta). En cualquier momento, sólo la mitad de la esfera es visible: es como si el suelo plano en que nosotros estamos cortara la esfera celeste en dos mitades: la mitad superior es visible, la mitad inferior no lo es. Por eso, sólo un polo se ve en cualquier momento, y para la mayoría de nosotros, que vivimos al norte del Ecuador, ése es el Polo Norte. (Si Ud. monta una cámara en una noche oscura de modo que el polo esté en mitad de su campo de visión, abre el obturador y toma un tiempo de exposición, la imagen de cada estrella será recogida como la parte de un círculo, y todos los círculos estarán centrados en el Polo. Haga clic aquí para ver una imagen así.)     Al igual que el globo de la Tierra tiene un ecuador alrededor de su mitad, a medio camino entre los polos, así la esfera del cielo está rodeada por el ecuador celeste, a medio camino entre los polos celestes. A medida que el cielo gira, las estrellas en el ecuador trazan un círculo mayor que cualesquiera otras.     Por supuesto, sabemos bien (a diferencia de los sacerdotes de Babilonia) que las estrellas no están sujetas dentro de una enorme esfera hueca. En vez de eso, es la Tierra la que gira alrededor de su eje, mientras las estrellas están tan distantes que parecen estar quietas. El efecto final, sin embargo, es el mismo en ambos casos. Por tanto, cuando interesa, todavía podemos usar la esfera celeste para marcar las posiciones de las estrellas en el cielo. Polaris, la Estrella Polar     Por pura casualidad, una estrella moderadamente brillante es vista cerca del polo norte celeste, Polaris, la estrella polar (o estrella del norte). Polaris no está exactamente en el polo, pero su círculo diario es muy pequeño y para muchos propósitos uno puede suponer que está en el polo, formando un soporte alrededor del cual gira el cielo entero.     Todo esto parece mucho más claro si uno recuerda que es la Tierra la que gira, no el cielo. El eje alrededor del cual la Tierra rota apunta en una cierta dirección del cielo, y esa es también la dirección de la estrella polar (o, más exactamente, el polo norte celeste). Según gira la Tierra, incluso aunque el observador se mueve con ella (por ejemplo, desde el punto B al punto A, en el dibujo), esa dirección siempre forma el mismo ángulo con el horizonte y está siempre al norte. De aquí, que la Estrella Polar esté siempre en el mismo punto: al norte del observador y a la misma altura sobre el horizonte.     Si en una clara noche se encuentra perdido en la naturaleza o en el mar, la Estrella Polar puede indicarle dónde está el Norte, y de ahí fácilmente deducir dónde el Este, Oeste y Sur. Cualquier otra estrella no es fiable para determinar direcciones: se moverá a través del cielo, y puede incluso desaparecer, pero no hará eso aquella. Para saber cómo encontrar la Estrella Polar, haga clic aquí.     Cuanto más cerca está uno del ecuador, más cerca está la Estrella Polar del horizonte, y en el ecuador (punto C) está justo en el horizonte, y probablemente no es fácil de ver. Más al sur, en puntos tales como el D, no es ya visible, pero entoces ya puede ver el polo sur del cielo. Desgraciadamente, ninguna estrella brillante comparable a la Polaris, marca esa posición. La existencia de una brillante estrella cerca del polo norte celeste es simplemente una feliz coincidencia y, como se verá, no siempre fue así, y no será dentro de unos pocos miles de años. El Montaje de un Telescopio     Como muestra el dibujo anterior, durante la noche vemos la Estrella Polar desde diferentes posiciones (tales como A y B). Sin embargo, no se aprecia ninguna diferencia de su posición en el cielo, debido a que está tan distante de nosotros. Si la Tierra rotara no alrededor de su eje sino a lo largo de una línea paralela que pasara por A o por B, el cielo no parecería diferente. El montaje ecuatorial de un telescopio. Para seguir a una estrella, sólo es necesario girar el telescopio alrededor de su eje polar.     Para el ojo humano, la rotación del cielo es muy, muy lenta (es más notable a la salida o puesta del Sol o de la Luna). Un telescopio, sin embargo, magnifica enormemente la velocidad de rotación, y cualquier estrella observada con él rápidamente deriva hacia el borde del campo visual y entonces desaparece, a menos que se ajuste contínuamente la dirección del telescopio. Esto normalmente se realiza automáticamente, girando el telescopio alrededor de un eje paralelo a la rotación de la Tierra, porque, como se explicó más arriba, un desplazamiento paralelo no cambia la rotación aparente de las estrellas.     Para hacer fácil tal ajuste, un telescopio astronómico (dibujado arriba) se monta de un modo muy distinto a un un telescopio de topógrafo (teodolito)" (o "teodolito", mostrado abajo). Un teodolito normalmente tiene dos ejes: uno que le permite explorar todas las direcciones horizontales en 360°, y otro que ajusta su elevación y le permite establecer sus vistas sobre marcas de referencia más altas que el observador, tales como cimas de montañas. Por otra parte, un telescopio para ver estrellas (arriba) tiene dos ejes perpendiculaares, pero el principal (el "eje ecuatorial") se apunta a la Estrella Polar y es, por tanto, paralelo al eje de la Tierra.A medida que gira la esfera celeste, un mecanismo de relojería (o, en los modelos económicos, la mano del observador o un tornillo ajustable) gira el telescopio a una velocidad apropiada que mantiene las mismas estrellas en el campo de visión.   Un antiguo telescopio   de topógrafo (teodolito)". Planetas y el Zodiaco     No todas las estrellas mantienen posiciones fijas en la esfera de los cielos. Incluso los primeros observadores del cielo notaron que unas pocas se movían: los antiguos griegos las llamaron "planetas", que significa errantes. Los nombres que usamos hoy día provienen de los romanos, quienes los bautizaron en honor a sus dioses principales: Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno. Mercurio y Venus están siempre próximos al Sol y sólo pueden verse brevemente después de la puesta o antes del amanecer: Mercurio está tan próximo que la mayor parte del año no puede verse en absoluto, porque el brillante cielo ahoga su propia luz. Venus es más brillante que cualquier otra estrella (en condiciones adecuadas y mirando justo a donde está, se puede incluso ver durante el día) mientras que Júpiter ocupa el segundo lugar. Nota     Se puede demostrar que la rotación es del Oeste hacia el Este usando una manzana o alguna otra fruta para representar la Tierra. Sosténgala con el tallo vertical, que sería el eje de la Tierra, con el Polo Norte en lo alto, y marque dos puntos en la mitad norte. Por ejemplo, Nueva York y, ligeramente desde allí, en el sentido de las agujas del reloj (es decir, hacia el Oeste), San Francisco. Se puede emplear un linterna como "Sol", o imaginarse que se tiene una lámpara en algún punto cercano.    Cuando es mediodía en Nueva York, el Sol está casi vertical sobre "Nueva York", pero son sólo las 9 de la mañana en "San Francisco". Tres horas más tarde, la Tierra ha girado y ahora es mediodía en "San Francisco", con el sol próximo a la vertical. Para llegar a esta posición, San Francisco debe rotar a la posición donde se hallaba Nueva York: del Oeste hacia el Este. La esfera celeste     Primer grupo de elementos del referencial Ecuador celeste Polos celestes Meridiano celeste Paralelos celestes Puntos Aries o Vernal (^ ) y Libra (W) Segundo grupo de elementos del referencial Horizonte, Vertical del lugar, Cenit, Nadir,Meridiana, Meridiano del lugar, Círculo vertical, Almucantarat, Primer vertical.             Primer grupo de elementos del referencial        Figura 1-1-3: La esfera celeste         En la antigüedad consideraban que la Tierra era el centro del universo que ocupaba una bóveda donde estaban situadas las estrellas. Hoy sabemos que nuestro planeta no ocupa una posición preferente, ni en el sistema solar ni mucho menos en el universo y que realiza unos movimientos que hemos descrito en el apartado anterior. Tampoco están fijas las estrellas, que orbitan alrededor del núcleo de nuestra propia Galaxia con periodos que son del orden de centenares de millones de años. Las estrellas tienen movimientos propios y además no están contenidas en una superficie, sino distribuidas en el espacio a distancias enormes que van desde cuatro a decenas de miles de años luz. Recordemos que un año luz equivale a diez billones de kilómetros. En estas condiciones los desplazamientos de las estrellas son inapreciables para el observador ordinario y su medida requiere observaciones sistemáticas y cálculos detallados. El aspecto del cielo ha permanecido invariable durante muchas generaciones y ello explica los conceptos antiguos. Sin embargo la esfera celeste sigue siendo útil todavía, no para explicar el universo evidentemente, sino porque proporciona un sistema de referencia muy eficaz para establecer las direcciones y posiciones de los astros.     El referencial astronómico es conceptualmente antropocéntrico, tiene como centro la Tierra, y está construido extendiendo o proyectando sobre la esfera celeste los elementos utilizados para definir las posiciones sobre la superficie terrestre. Así definimos los siguientes términos (Figura 1-1-3): Ecuador celeste: resulta de prolongar el plano del ecuador de la Tierra hasta cortar la esfera celeste, dividiéndola en dos hemisferios. Polos celestes: intersección de la dirección del eje de rotación de la Tierra o eje del mundo con la esfera celeste. Meridiano celeste: círculo máximo que pasa por los polos celestes. Paralelos celestes: círculos menores paralelos al ecuador celeste. Puntos Aries o Vernal (^ ) y Libra (W ) : definidos por las intersecciones de la eclíptica con el ecuador celeste. De manera que la esfera celeste gira, como la Tierra, alrededor del eje del mundo. El movimiento aparente de las estrellas está causado porque rotan, solidariamente con la esfera celeste, en sentido contrario a como lo hace la Tierra. Esto es, de Este a Oeste. Las estrellas describen por tanto un movimiento circular a lo largo de los paralelos celestes y todas ellas, cualquiera que sea su situación en la bóveda celeste, invierten el mismo tiempo en efectuar un ciclo completo y mantienen sus posiciones relativas.             Segundo grupo de elementos del referencial       Figura 1-1-4: Segundo grupo de elementos del referencial         Un segundo grupo de elementos del referencial (Figura 1-1-4) tienen que ver con el lugar que ocupa el observador sobre la superficie de la Tierra. Son los siguientes: Horizonte: plano tangente a la superficie de la Tierra en el punto que ocupa el observador, extendida hasta cortar la esfera celeste. Es por tanto un círculo máximo. Vertical del lugar o la vertical: dirección de una plomada. Es perpendicular al horizonte. Cenit: intersección de la vertical con la esfera celeste. Está situado encima del horizonte. Nadir: punto opuesto al cenit situado debajo del horizonte. Meridiana: es la dirección resultante de la intersección del meridiano del lugar y del horizonte. El punto de la meridiana más próximo al polo norte celeste define el Norte. La perpendicular a la meridiana determina el Este, que está a la derecha del observador, y el Oeste a la izquierda.             Figura 1-1-5: La esfera celeste           Meridiano del lugar: círculo máximo que pasa por el cenit y obviamente, por ser un meridiano, por los polos celestes. La culminación de un astro tiene lugar cuando pasa por este meridiano. Círculo vertical o el vertical, es el círculo máximo que pasa por el cenit y la estrella (Figura 1-1-5). Almucantarat: círculo menor paralelo al horizonte. Primer vertical: es un círculo máximo que pasa por el cenit y por los puntos este y oeste.             Figura 1-1-6 La esfera celeste           Los paralelos celestes y el horizonte terrestre tienen orientaciones que dependen de la latitud del lugar de observación (Figura 1-1-6) . En el ecuador los paralelos cortan perpendicularmente al plano del horizonte por ello el observador situado en esta latitud verá salir (orto) y ponerse (ocaso) todas las estrellas. En los polos son paralelos y las estrellas no tienen orto ni ocaso, se dice entonces que son circumpolares. En latitudes intermedias ocurren los dos casos: hay estrellas que salen y se ponen y otras, las más próximas al polo, son circumpolares. Este es el caso de la estrella polar que describe un círculo de radio tan reducido que prácticamente permanece inmóvil.