La nutación astronómica es un fenómeno que hace que la orientación del eje de rotación de un objeto astronómico giratorio varíe con el tiempo. Es causada por las fuerzas gravitacionales de otros cuerpos cercanos que actúan sobre el objeto giratorio. Aunque son causadas por el mismo efecto que opera en diferentes escalas de tiempo, los astrónomos suelen hacer una distinción entre la precesión , que es un cambio constante a largo plazo en el eje de rotación, y la nutación , que es el efecto combinado de variaciones similares a corto plazo. [1]
Un ejemplo de precesión y nutación es la variación a lo largo del tiempo de la orientación del eje de rotación de la Tierra . Esto es importante porque el marco de referencia más comúnmente utilizado para medir las posiciones de los objetos astronómicos es el ecuador de la Tierra , el llamado sistema de coordenadas ecuatoriales . El efecto de la precesión y la nutación hace que este marco de referencia cambie a lo largo del tiempo, en relación con un marco fijo arbitrario.
La nutación es una de las correcciones que se deben aplicar para obtener la posición aparente de un objeto astronómico. Al calcular la posición de un objeto, inicialmente se expresa en relación con el equinoccio medio y el ecuador , definidos por la orientación del eje de la Tierra en una fecha específica, teniendo en cuenta el efecto a largo plazo de la precesión, pero no los efectos a corto plazo de la nutación. A continuación, es necesario aplicar una corrección adicional para tener en cuenta el efecto de la nutación, tras lo cual se obtiene la posición relativa al equinoccio verdadero y al ecuador .
Como los movimientos dinámicos de los planetas son tan bien conocidos, sus nutaciones se pueden calcular con una precisión de segundos de arco a lo largo de períodos de muchas décadas. Existe otra perturbación de la rotación de la Tierra llamada movimiento polar que se puede estimar solo para unos pocos meses en el futuro porque está influenciada por cosas que varían de manera rápida e impredecible, como las corrientes oceánicas , los sistemas de viento y los movimientos hipotéticos en el núcleo externo de níquel-hierro líquido de la Tierra .
La precesión y la nutación son causadas principalmente por las fuerzas gravitacionales de la Luna y el Sol que actúan sobre la figura no esférica de la Tierra . La precesión es el efecto de estas fuerzas promediadas durante un período de tiempo muy largo, y un momento de inercia variable en el tiempo (si un objeto es asimétrico sobre su eje principal de rotación, el momento de inercia con respecto a cada dirección de coordenadas cambiará con el tiempo, mientras se conserva el momento angular), y tiene una escala de tiempo de aproximadamente 26.000 años. La nutación se produce porque las fuerzas no son constantes y varían a medida que la Tierra gira alrededor del Sol y la Luna gira alrededor de la Tierra. Básicamente, también hay pares de torsión de otros planetas que causan la precesión planetaria, lo que contribuye a aproximadamente el 2% de la precesión total. Debido a las variaciones periódicas en los pares de torsión del Sol y la Luna, se produce el bamboleo (nutación). Puede pensar en la precesión como el promedio y la nutación como lo instantáneo.
El mayor contribuyente a la nutación es la inclinación de la órbita de la Luna alrededor de la Tierra, a poco más de 5° con respecto al plano de la eclíptica . La orientación de este plano orbital varía durante un período de aproximadamente 18,6 años (este período se conoce como saros ). Debido a que el ecuador de la Tierra está inclinado en un ángulo de aproximadamente 23,4° con respecto a la eclíptica (la oblicuidad de la eclíptica , ), estos efectos se combinan para variar la inclinación de la órbita de la Luna con respecto al ecuador entre 18,4° y 28,6° durante el período de 18,6 años. Esto hace que la orientación del eje de la Tierra varíe durante el mismo período, con la verdadera posición de los polos celestes describiendo una pequeña elipse alrededor de su posición media. El radio máximo de esta elipse es la constante de nutación , aproximadamente 9,2 segundos de arco.
Otros efectos menores también contribuyen a la nutación. Estos son causados por el movimiento mensual de la Luna alrededor de la Tierra y su excentricidad orbital , y términos similares causados por el movimiento anual de la Tierra alrededor del Sol.
Dado que la nutación provoca un cambio en el marco de referencia, en lugar de un cambio en la posición del objeto observado en sí, se aplica por igual a todos los objetos. Su magnitud en cualquier punto del tiempo se expresa generalmente en términos de coordenadas eclípticas , como nutación en longitud ( ) en segundos de arco y nutación en oblicuidad ( ) en segundos de arco. El término más grande en nutación se expresa numéricamente (en segundos de arco) de la siguiente manera:
donde es la longitud eclíptica del nodo ascendente de la órbita de la Luna. Como referencia, la suma del valor absoluto de todos los términos restantes es 1,4 segundos de arco para la longitud y 0,9 segundos de arco para la oblicuidad. [2]
La trigonometría esférica se puede utilizar entonces en cualquier objeto dado para convertir estas cantidades en un ajuste en la ascensión recta ( ) y la declinación ( ) del objeto. Para los objetos que no están cerca de un polo celeste, la nutación en ascensión recta ( ) y la declinación ( ) se pueden calcular aproximadamente de la siguiente manera: [3]
La Tierra también tiene entre 0,10 y 0,15 segundos adicionales de nutaciones de arco con un período de 6 años y medio, llamado bamboleo de Chandler , y se debe a la nutación libre causada por la distribución irregular de la masa alrededor del eje de la Tierra. [4]
La nutación fue descubierta por James Bradley a partir de una serie de observaciones de estrellas realizadas entre 1727 y 1747. Estas observaciones tenían como objetivo original demostrar de manera concluyente la existencia de la aberración anual de la luz , un fenómeno que Bradley había descubierto inesperadamente en 1725-6. Sin embargo, había algunas discrepancias residuales en las posiciones de las estrellas que no se explicaban por la aberración, y Bradley sospechó que eran causadas por la nutación que tenía lugar durante el período de 18,6 años de la revolución de los nodos de la órbita de la Luna . Esto fue confirmado por su serie de observaciones de 20 años, en la que descubrió que el polo celeste se movía en una elipse ligeramente aplanada de 18 por 16 segundos de arco alrededor de su posición media. [5]
Aunque las observaciones de Bradley demostraron la existencia de la nutación y comprendió intuitivamente que era causada por la acción de la Luna sobre la Tierra en rotación, los matemáticos posteriores, Jean le Rond d'Alembert y Leonhard Euler , desarrollaron una explicación teórica más detallada del fenómeno. [6]
