En astronomía y navegación , la esfera celeste es una esfera abstracta que tiene un radio arbitrario y es concéntrica con la Tierra . Todos los objetos del cielo pueden concebirse como si estuvieran proyectados sobre la superficie interior de la esfera celeste, que puede estar centrada en la Tierra o en el observador. Si estuviera centrada en el observador, la mitad de la esfera se parecería a una pantalla hemisférica sobre la ubicación de observación.
La esfera celeste es una herramienta conceptual utilizada en astronomía esférica para especificar la posición de un objeto en el cielo sin tener en cuenta su distancia lineal respecto del observador. El ecuador celeste divide la esfera celeste en hemisferios norte y sur .
Como los objetos astronómicos se encuentran a distancias tan remotas, la observación casual del cielo no ofrece información sobre sus distancias reales. Todos los objetos celestes parecen igualmente lejanos , como si estuvieran fijos en el interior de una esfera con un radio grande pero desconocido, [1] que parece rotar hacia el oeste en lo alto; mientras tanto, la Tierra bajo nuestros pies parece permanecer inmóvil. Para los fines de la astronomía esférica , que se ocupa únicamente de las direcciones de los objetos celestes, no importa si este es realmente el caso o si es la Tierra la que está rotando mientras la esfera celeste está estacionaria.
La esfera celeste puede considerarse infinita en radio . Esto significa que cualquier punto dentro de ella, incluido el ocupado por el observador, puede considerarse el centro . También significa que todas las líneas paralelas , ya sea que estén separadas por milímetros o a través del Sistema Solar entre sí, parecerán intersecar la esfera en un único punto, análogo al punto de fuga de la perspectiva gráfica . [2] Todos los planos paralelos parecerán intersecar la esfera en un gran círculo coincidente [3] (un "círculo de fuga").
Por el contrario, los observadores que miran hacia el mismo punto en una esfera celeste de radio infinito mirarán a lo largo de líneas paralelas, y los observadores que miran hacia el mismo círculo máximo, a lo largo de planos paralelos. En una esfera celeste de radio infinito, todos los observadores ven las mismas cosas en la misma dirección.
En el caso de algunos objetos, esto es una simplificación excesiva. Los objetos que están relativamente cerca del observador (por ejemplo, la Luna ) parecerán cambiar de posición con respecto a la esfera celeste distante si el observador se mueve lo suficientemente lejos, por ejemplo, de un lado del planeta Tierra al otro. Este efecto, conocido como paralaje , se puede representar como un pequeño desplazamiento con respecto a una posición media. Se puede considerar que la esfera celeste está centrada en el centro de la Tierra , el centro del Sol o cualquier otra ubicación conveniente, y se pueden calcular los desplazamientos con respecto a las posiciones referidas a estos centros. [4]
De esta manera, los astrónomos pueden predecir las posiciones geocéntricas o heliocéntricas de los objetos en la esfera celeste, sin necesidad de calcular la geometría individual de ningún observador en particular, y se mantiene la utilidad de la esfera celeste. Los observadores individuales pueden calcular sus propios pequeños desfases con respecto a las posiciones medias, si es necesario. En muchos casos, en astronomía, los desfases son insignificantes.
La esfera celeste puede considerarse una especie de taquigrafía astronómica y los astrónomos la utilizan con mucha frecuencia. Por ejemplo, el Almanaque Astronómico de 2010 indica la posición geocéntrica aparente de la Luna el 1 de enero a las 00:00:00.00 hora terrestre , en coordenadas ecuatoriales , como ascensión recta 6 h 57 m 48,86 s , declinación +23° 30' 05,5". Esta posición implica que está proyectada sobre la esfera celeste; cualquier observador en cualquier lugar que mire en esa dirección vería la "Luna geocéntrica" en el mismo lugar contra las estrellas. Para muchos usos aproximados (por ejemplo, calcular una fase aproximada de la Luna), esta posición, vista desde el centro de la Tierra, es adecuada.
Para aplicaciones que requieren precisión (por ejemplo, calcular la trayectoria de la sombra de un eclipse ), el Almanaque proporciona fórmulas y métodos para calcular las coordenadas topocéntricas , es decir, como se ven desde un lugar particular en la superficie de la Tierra, en función de la posición geocéntrica. [5] Esto abrevia en gran medida la cantidad de detalles necesarios en dichos almanaques, ya que cada observador puede manejar sus propias circunstancias específicas.
Las esferas celestes (u orbes celestes) fueron concebidas como entidades perfectas y divinas inicialmente por astrónomos griegos como Aristóteles . Compuso un conjunto de principios llamados física aristotélica que describían el orden natural y la estructura del mundo. Al igual que otros astrónomos griegos, Aristóteles también pensó en la "... esfera celeste como marco de referencia para sus teorías geométricas de los movimientos de los cuerpos celestes". [6] Con su adopción de la teoría de Eudoxo de Cnido , Aristóteles había descrito los cuerpos celestes dentro de la esfera celeste como llenos de pureza, perfección y quintaesencia (el quinto elemento que se sabía que era divino y puro según Aristóteles). Aristóteles consideró que el Sol, la Luna, los planetas y las estrellas fijas eran esferas perfectamente concéntricas en una región superlunar por encima de la esfera sublunar . Aristóteles había afirmado que estos cuerpos (en la región superlunar) son perfectos y no pueden ser corrompidos por ninguno de los elementos clásicos : fuego, agua, aire y tierra. Los elementos corruptibles sólo estaban contenidos en la región sublunar y los elementos incorruptibles estaban en la región supralunar del modelo geocéntrico de Aristóteles. Aristóteles tenía la noción de que los orbes celestiales deben exhibir un movimiento celestial (un movimiento circular perfecto) que continúa por la eternidad. También argumentó que el comportamiento y la propiedad siguen estrictamente un principio de lugar natural donde el elemento por excelencia se mueve libremente por voluntad divina, mientras que otros elementos, fuego, aire, agua y tierra, son corruptibles, sujetos al cambio y la imperfección. Los conceptos clave de Aristóteles se basan en la naturaleza de los cinco elementos que distinguen la Tierra y los Cielos en la realidad astronómica, tomando el modelo de Eudoxo de esferas separadas.
Numerosos descubrimientos de Aristóteles y Eudoxo (aproximadamente entre el 395 a. C. y el 337 a. C.) han provocado diferencias en ambos modelos y han compartido propiedades similares simultáneamente. Aristóteles y Eudoxo afirmaron dos recuentos diferentes de esferas en los cielos. Según Eudoxo, solo había 27 esferas en los cielos, mientras que hay 55 esferas en el modelo de Aristóteles. Eudoxo intentó construir su modelo matemáticamente a partir de un tratado conocido como Sobre las velocidades ( griego : Περί Ταχών ) y afirmó que la forma de la hipópeda o lemniscata estaba asociada con la retrogresión planetaria . Aristóteles enfatizó que la velocidad de los orbes celestiales es inmutable, como los cielos, mientras que Eudoxo enfatizó que los orbes tienen una forma geométrica perfecta. Las esferas de Eudoxo producirían movimientos indeseables en la región inferior de los planetas, mientras que Aristóteles introdujo desenrolladores entre cada conjunto de esferas activas para contrarrestar los movimientos del conjunto exterior, o de lo contrario los movimientos exteriores se transferirían a los planetas exteriores. Aristóteles observaría más tarde "... los movimientos de los planetas utilizando las combinaciones de esferas anidadas y movimientos circulares de formas creativas, pero las observaciones posteriores siguieron deshaciendo su trabajo". [7]
Aparte de Aristóteles y Eudoxo, Empédocles dio una explicación de que el movimiento de los cielos, moviéndose a su alrededor a una velocidad divina (relativamente alta), coloca a la Tierra en una posición estacionaria debido a que el movimiento circular impide el movimiento descendente por causas naturales. Aristóteles criticó el modelo de Empédocles, argumentando que todos los objetos pesados van hacia la Tierra y no el remolino en sí que viene a la Tierra. Lo ridiculizó y afirmó que la declaración de Empédocles era extremadamente absurda. Cualquier cosa que desafiara el movimiento del lugar natural y los cielos inmutables (incluidas las esferas celestes) fue criticada inmediatamente por Aristóteles.
Estos conceptos son importantes para comprender los sistemas de coordenadas celestes , marcos para medir las posiciones de los objetos en el cielo . Ciertas líneas y planos de referencia en la Tierra, cuando se proyectan sobre la esfera celeste, forman las bases de los sistemas de referencia. Estos incluyen el ecuador , el eje y la órbita de la Tierra . En sus intersecciones con la esfera celeste, estos forman el ecuador celeste , los polos celestes norte y sur y la eclíptica , respectivamente. [8] Como la esfera celeste se considera arbitraria o infinita en radio, todos los observadores ven el ecuador celeste, los polos celestes y la eclíptica en el mismo lugar contra las estrellas de fondo .
A partir de estas bases, las direcciones hacia los objetos en el cielo se pueden cuantificar mediante la construcción de sistemas de coordenadas celestes. De manera similar a la longitud y latitud geográficas , el sistema de coordenadas ecuatoriales especifica posiciones relativas al ecuador celeste y los polos celestes, utilizando la ascensión recta y la declinación. El sistema de coordenadas de la eclíptica especifica posiciones relativas a la eclíptica ( la órbita de la Tierra ), utilizando la longitud y latitud eclípticas . Además de los sistemas ecuatorial y eclíptico, algunos otros sistemas de coordenadas celestes, como el sistema de coordenadas galáctico , son más apropiados para propósitos particulares.
Los antiguos griegos asumieron la verdad literal de las estrellas unidas a una esfera celeste, girando alrededor de la Tierra en un día, y una Tierra fija. [9] El modelo planetario eudoxano , en el que se basaron los modelos aristotélico y ptolemaico , fue la primera explicación geométrica del "vagabundeo" de los planetas clásicos . [10] Se pensaba que la más externa de estas "esferas de cristal" transportaba las estrellas fijas . Eudoxo utilizó 27 sólidos esféricos concéntricos para responder al desafío de Platón : "¿Mediante la suposición de qué movimientos uniformes y ordenados pueden explicarse los movimientos aparentes de los planetas?". [11] Anaxágoras , a mediados del siglo V a. C., fue el primer filósofo conocido en sugerir que las estrellas eran "piedras ardientes" demasiado lejanas para que se sintiera su calor. Aristarco de Samos expresó ideas similares . Sin embargo, no entraron en la corriente principal de la astronomía europea e islámica del período antiguo tardío y medieval. El heliocentrismo copernicano eliminó las esferas planetarias, pero no necesariamente excluyó la existencia de una esfera para las estrellas fijas. El primer astrónomo del Renacimiento europeo que sugirió que las estrellas eran soles distantes fue Giordano Bruno en su De l'infinito universo et mondi (1584). Esta idea fue una de las acusaciones, aunque no en una posición prominente, que la Inquisición le formuló. La idea se volvió común a finales del siglo XVII, especialmente después de la publicación de Conversaciones sobre la pluralidad de mundos de Bernard Le Bovier de Fontenelle (1686), y a principios del siglo XVIII era la hipótesis de trabajo predeterminada en astronomía estelar.
Una esfera celeste también puede referirse a un modelo físico de la esfera celeste o globo celeste. Estos globos representan las constelaciones en el exterior de una esfera, lo que da como resultado una imagen especular de las constelaciones tal como se ven desde la Tierra. El ejemplo más antiguo que se conserva de un artefacto de este tipo es el globo de la escultura del Atlas Farnesio , una copia del siglo II de una obra más antigua ( período helenístico , ca. 120 a. C.).
Los observadores de otros mundos verían, por supuesto, los objetos de ese cielo en condiciones muy similares, como si se proyectaran sobre una cúpula. Se podrían construir sistemas de coordenadas basados en el cielo de ese mundo, basados en la "eclíptica" equivalente, los polos y el ecuador, aunque las razones para construir un sistema de esa manera son tanto históricas como técnicas.
Chauvenet Astronomía esférica., p. 19, en Google libros.
astronomía práctica., art. 2, p. 5, en Google books.
