Esfera celestial
En astronomía y navegación, la esfera celeste es una esfera abstracta que tiene un radio arbitrariamente grande y es concéntrica a la Tierra. Todos los objetos del cielo pueden concebirse como 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 parecería una pantalla hemisférica sobre el lugar de observación.
La esfera celeste es una herramienta conceptual utilizada en la astronomía esférica para especificar la posición de un objeto en el cielo sin tener en cuenta su distancia lineal desde el observador. El ecuador celeste divide la esfera celeste en los hemisferios norte y sur.
Introducción
Debido a que 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, que parece girar hacia el oeste por encima; mientras tanto, la Tierra bajo los pies parece permanecer inmóvil. A los efectos 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 gira mientras la esfera celeste está estacionaria.
Se puede considerar que la esfera celeste tiene un radio infinito. Esto significa que cualquier punto dentro de él, 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 cruzar la esfera en un solo punto, de forma análoga al punto de fuga de la perspectiva gráfica. Todos los planos paralelos parecerán intersectar la esfera en un gran círculo coincidente (un "círculo que se desvanece").
Por el contrario, los observadores que miren hacia el mismo punto en una esfera celeste de radio infinito mirarán a lo largo de líneas paralelas, y los observadores que miren hacia el mismo gran círculo, a lo largo de planos paralelos. En una esfera celeste de radio infinito, todos los observadores ven las mismas cosas en la misma dirección.
Para algunos objetos, esto está demasiado simplificado. Los objetos que están relativamente cerca del observador (por ejemplo, la Luna) parecerán cambiar de posición contra la esfera celeste distante si el observador se mueve lo suficiente, digamos, de un lado del planeta Tierra al otro. Este efecto, conocido como paralaje, se puede representar como un pequeño desplazamiento desde 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 las compensaciones de las posiciones referidas a estos centros.
De esta forma, los astrónomos pueden predecir posiciones geocéntricas o heliocéntricas de 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 propias pequeñas compensaciones de las posiciones medias, si es necesario. En muchos casos en astronomía, las compensaciones son insignificantes.
La esfera celeste, por lo tanto, puede considerarse como una especie de taquigrafía astronómica, y los astrónomos la aplican con mucha frecuencia. Por ejemplo, el Almanaque astronómico para 2010 enumera 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 6h 57m 48,86s, declinación +23° 30' 05.5". En esta posición está implícito que está proyectado 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 generales (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 ofrece fórmulas y métodos para calcular las coordenadas topocéntricas, es decir, vistas desde un lugar particular en la superficie de la Tierra, basado en la posición geocéntrica. Esto reduce en gran medida la cantidad de detalles necesarios en dichos almanaques, ya que cada observador puede manejar sus propias circunstancias específicas.
Historia griega sobre esferas celestes
Las esferas celestiales (u orbes celestiales) fueron concebidas inicialmente como entidades perfectas y divinas por astrónomos griegos como Aristóteles. Compuso un conjunto de principios llamado física aristotélica que perfilaba el orden natural y la estructura del mundo. Al igual que otros astrónomos griegos, Aristóteles también pensó en la "...esfera celeste como el marco de referencia para sus teorías geométricas de los movimientos de los cuerpos celestes". Con su adopción de Eudoxo de Cnido' En teoría, Aristóteles había descrito que los cuerpos celestes dentro de la esfera celestial estaban 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 supralunar por encima de la esfera sublunar. Aristóteles había afirmado que estos cuerpos (en la región supralunar) son perfectos y no pueden ser corrompidos por ninguno de los elementos clásicos: fuego, agua, aire y tierra. Los elementos corruptibles solo 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 a cambios e imperfecciones. Los conceptos clave de Aristóteles se basan en la naturaleza de los cinco elementos que distinguen la Tierra y el Cielo en la realidad astronómica, tomando el modelo de esferas separadas de Eudoxo.
Numerosos descubrimientos de Aristóteles y Eudoxo (aproximadamente del 395 a. C. al 337 a. C.) han provocado diferencias en ambos modelos y comparten propiedades similares simultáneamente. Aristóteles y Eudoxo reclamaron dos conteos diferentes de esferas en los cielos. Según Eudoxo, solo había 27 esferas en los cielos, mientras que en el modelo de Aristóteles hay 55 esferas. Eudoxus intentó construir su modelo matemáticamente a partir de un tratado conocido como Sobre las velocidades (traducido del griego al inglés) y afirmó que la forma del hipopedo o lemniscata estaba asociada con la regresión planetaria. Aristóteles enfatizó que la velocidad de los orbes celestiales no cambia, como los cielos, mientras que Eudoxus 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 bien los movimientos exteriores se transferirán a los planetas exteriores. Aristóteles observaría más tarde '... los movimientos de los planetas mediante el uso de combinaciones de esferas anidadas y movimientos circulares de forma creativa, pero las observaciones posteriores seguían deshaciendo su trabajo'.
Además 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), pone a la Tierra en una posición estacionaria debido al movimiento circular que evita el movimiento hacia abajo por causas naturales.. Aristóteles criticó el modelo de Empédocles, argumentando que todos los objetos pesados van hacia la Tierra y no el torbellino mismo que viene a la Tierra. Lo ridiculizó y afirmó que la declaración de Empédocles era extremadamente absurda. Todo lo que desafiaba el movimiento del lugar natural y los cielos inmutables (incluidas las esferas celestes) fue criticado de inmediato por Aristóteles.
Sistemas de coordenadas celestes
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, forman el ecuador celeste, los polos celestes norte y sur y la eclíptica, respectivamente. Como la esfera celeste se considera arbitraria o de radio infinito, 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. Al igual que la longitud y la latitud geográficas, el sistema de coordenadas ecuatoriales especifica las posiciones relativas al ecuador celeste y los polos celestes, utilizando la ascensión recta y la declinación. El sistema de coordenadas de la eclíptica especifica las posiciones relativas a la eclíptica (la órbita de la Tierra), utilizando la longitud y la latitud de la eclíptica. 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.
Historia
Los antiguos asumieron la verdad literal de las estrellas unidas a una esfera celeste, girando alrededor de la Tierra en un día, y una Tierra fija. El modelo planetario de Eudoxan, en el que se basaron los modelos aristotélicos y ptolemaicos, fue la primera explicación geométrica para el "errante" de los planetas clásicos. La más externa de estas "esferas de cristal" se pensaba que llevaba las estrellas fijas. Eudoxo usó 27 sólidos esféricos concéntricos para responder al desafío de Platón: "¿Bajo la suposición de qué movimientos uniformes y ordenados pueden explicarse los movimientos aparentes de los planetas?" Anaxágoras, a mediados del siglo V a. C., fue el primer filósofo conocido que sugirió que las estrellas eran "piedras ardientes" demasiado lejos para sentir su calor. Aristarco de Samos expresó ideas similares. Sin embargo, no entraron en la astronomía convencional de finales del período antiguo y medieval. El heliocentrismo copernicano acabó con las esferas planetarias, pero no excluyó necesariamente la existencia de una esfera para las estrellas fijas. El primer astrónomo del Renacimiento europeo en sugerir que las estrellas eran soles distantes fue Giordano Bruno en su De l'infinito universo et mondi (1584). Esta idea fue uno de los cargos, aunque no en una posición destacada, presentados contra él por la Inquisición. La idea se generalizó a fines 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 suposición de trabajo predeterminada. en astronomía estelar.
Globo estelar
Una esfera celeste también puede referirse a un modelo físico de la esfera celeste o globo celeste. Dichos globos mapean las constelaciones en el exterior de una esfera, lo que da como resultado una imagen especular de las constelaciones vistas desde la Tierra. El ejemplo más antiguo que se conserva de un artefacto de este tipo es el globo terráqueo de la escultura Farnese Atlas, una copia del siglo II de una obra más antigua (período helenístico, ca. 120 a. C.).
Cuerpos que no sean la Tierra
Los observadores en otros mundos, por supuesto, verían objetos en ese cielo en condiciones muy parecidas, como si se proyectaran en una cúpula. Se podrían construir sistemas de coordenadas basados en el cielo de ese mundo. Estos podrían basarse en la "eclíptica" equivalente, los polos y el ecuador, aunque las razones para construir un sistema de esa manera son tanto históricas como técnicas.