Esfera celeste y sistema de coordenadas.

¿Que es la esfera celeste?
La esfera celeste es una esfera ideal, sin radio definido, concéntrica en el globo terrestre, en la cual aparentemente se mueven los astros. Permite representar las direcciones en que se hallan los objetos celestes; así es como el ángulo formado por dos direcciones será representado por un arco de círculo mayor sobre esa esfera. Teóricamente se confunde con el de la Tierra: el Eje del mundo es el de rotación de la esfera celeste y es coincidente con el eje de rotación de la Tierra, por lo que se halla prácticamente centrada en el ojo del observador. Los astrónomos fundan sus mediciones en la existencia, en esa esfera, de puntos, círculos y planos convencionales: el plano del horizonte y el del ecuador celeste; el polo y el cenit; el meridiano, que sirve de origen para la medición del acimut. Resulta fácil hallar un astro o situarlo respecto a esos planos fundamentales.

Dibujo de la esfera celeste con los puntos y lugares geometricos más importantes.Cuando el horizonte del espectador es oblicuo con respecto al ecuador, la esfera celeste es calificada de oblicua. Para un observador situado en uno de los dos polos, la esfera es paralela, ya que su horizonte conserva paralelismo con el ecuador. Por último, la esfera es recta para el observador situado en la línea equinoccial, porque allí el horizonte corta perpendicularmente el ecuador.
La esfera celeste es un concepto no un objeto, es la superficie virtual sobre la que vemos proyectados a los astros como si todos estuvieran a igual distancia de la tierra.
Tres puntos conspicuos de esta esfera (cenit, polo norte celeste y astro (Z,P y S) en el gráfico de la izquierda) definen un triangulo esférico y mediante su resolución los marinos logran ubicarse sobre la superficie terrestre.

Distancia aparente y Diametro aparente.
El diámetro aparente es el diámetro de un cuerpo celeste visto desde la Tierra y medido en grados, minutos y segundos. Por ejemplo, la nebulosa M42, en Orión, tiene un diámetro aparente de 90" x 60".
La distancia aparente entre dos astros cuales quiera esta dada por la diferencia entre las direcciones de las visuales dirigidas a ambos.
 
Elementos astronomicos.
Horizonte o horizonte aparente (del griego "orizon": limitar) es la "línea" que aparentemente separa el cielo y la tierra. Vista desde cualquier ángulo esta línea siempre aparece bien morsa, es decir bien a la altura de los ojos del espectador. Esta "línea" involucra un espacio circular de la superficie de la tierra

En otros dominios, el horizonte es definido como un plano que pasa por el centro de la Tierra y es perpendicular a la línea cenit-nadir (un radio desde el centro de la tierra hacia la superficie) o la vertical. Tal es el horizonte astronómico u horizonte racional. Los términos de su definición consideran que la esfera celeste no está centrada en el observador sino que es concéntrica a la esfera terrestre.

Se definen otros tipos de horizontes atendiendo al punto de vista del observador:
Horizonte aparente: plano ideal tangente a la superficie de la Tierra en el punto de observación.
Horizonte sensible u horizonte real: depende del paisaje local (montañas, edificios, etc.)
Horizonte geométrico: superficie cónica generada por la visual del observador dirigida a la superficie terrestre en la lejanía.
Horizonte físico u horizonte óptico: determinado por la refracción atmosférica, que permite ver por debajo del horizonte real.
Salvo el horizonte astronómico y el horizonte aparente, todos los demás son horizontes ópticos pues están afectados por el fenómeno de la refracción.
El horizonte es un plano fundamental para algunas coordenadas celestes, por lo que de su correcto establecimiento depende la precisión de las medidas logradas. Tal es el caso de las coordenadas horizontales geocéntricas, en las que hay que tomar alturas sobre el horizonte de una estrella o de un planeta. Las medidas obtenidas in situ serán en principio referidas al horizonte aparente, y habrá que corregirlas por la refracción atmósférica y por la paralaje geocéntrica para obtener la altura referida al horizonte astronómico.
La paralaje geocéntrica -o de altura- disminuye con la altura sobre el horizonte, hasta hacerse nula en el cenit. Su corrección, para medidas de precisión, exige considerar a la Tierra como un elipsoide y no como una esfera (realmente es un geoide), tomándose el valor del radio terrestre en el punto de observación -no el radio medio-, amén de la altura sobre el suelo. Para estrellas muy lejanas la paralaje de altura puede no ser significativa.
En cuanto a la refracción, digamos que a 0º sobre el horizonte vale unos 34'. Cuando el disco del Sol toca el mar realmente ya está bajo el horizonte, y lo que vemos es su imagen refractada: el Sol está en nuestro horizonte óptico, pero por debajo de nuestro horizonte geométrico. La refracción disminuye con la altura sobre el horizonte, al igual que sucedía con la paralaje de altura, anulándose en el cenit.

Coordenadas horizontales.
Sea C el centro común de las esferas terrestre y celeste (figura 1). Se señala un punto O sobre la superficie terrestre, tal que OC es la vertical de plomada en O. En O se encuentra el observador.

La prolongación de OC corta a la esfera celeste en los puntos Z y Z' , cenit y nadir de O, respectivamente. La línea ZZ' es la vertical del observador, o simplemente la vertical.
Por C imaginamos un plano perpendicular a ZZ' que corta a la esfera celeste en el círculo máximo SWNE, el horizonte astronómico de O. En lo sucesivo, cuando se hable de horizonte se entenderá siempre horizonte astronómico, salvo precisión contraria.
La prolongación del eje terrestre nos da los puntos P y P' , los polos de la esfera celeste. PP' es el eje del movimiento diurno. La rotación de la Tierra hace que la esfera celeste se mueva aparentemente en torno a dicho eje.
Las proyecciones de P y P' en el horizonte son los puntos N (Norte) y S (Sur), y la perpendicular a la línea NS por C, en el plano del horizonte, nos da el Este E y Oeste W.
En realidad el observador está en el plano del horizonte. Las coordenadas horizontales son topocéntricas. Esto supone que las medidas que obtenga serán aparentes, por la paralaje diurna y la refracción atmosférica. Según los casos se requerirán las correcciones oportunas, para transformar estas medidas en coordenadas geocéntricas.
La vertical del observador ZZ', su horizonte SWNE y el punto Sur S, son el sistema de referencia de las coordenadas horizontales.

Movimiento diurno.
El movimiento diurno es el movimiento de la esfera celeste observado en el transcurso de un día. Es un movimiento retrógrado, de sentido horario mirando hacia el Sur, y de sentido antihorario mirando hacia el Norte.
 


Tomemos como ejemplo el Sol que sale por el Este y se pone por el Oeste, lo que en el hemisferio Norte se aprecia como un movimiento en sentido horario, aunque ligeramente más lento que las estrellas lejanas. Éstas se mueven acordes al tiempo sidéreo, mientras que el movimiento aparente del Sol es acorde al tiempo solar.
Hasta la revolución copernicana los astrónomos creían que se trataba de un movimiento real de las estrellas. Desde Copérnico sabemos que es la Tierra la que gira alrededor de su eje completando una vuelta en 23 h 56 min 4 s (un día sidéreo). No obstante se sigue con la misma concepción tolemáica, asumiendo que el movimiento de la esfera celeste es aparente, siendo la Tierra la que gira realmente.
Situado en el plano del horizonte y en el transcurso de un día un observador ve a los astros dar una vuelta alrededor del eje del mundo, en dirección este-sur-oeste mirando hacia el sur, o bien en sentido este-norte-oeste mirando hacia el norte.
El movimiento diurno del Sol es un movimiento retrógrado, de sentido horario en el hemisferio Norte (porque se ve el Sol hacia el Sur), y antihorario en el hemisferio Sur (porque se ve al Sol en dirección Norte).Los únicos puntos de la esfera celeste que permanecen fijos son los polos celestes; todos los demás, y las estrellas con ellos parecen girar en círculos concéntricos alrededor de aquéllos. El polo norte celeste está situado sobre el punto cardinal norte a una altura que coincide con la latitud del observador. En el polo norte un observador vería la Estrella Polar en el cenit. Para un observador situado en el ecuador terrestre, el polo norte está sobre el horizonte. A latitudes intermedias, por ejemplo a 40º, el polo celeste se encuentra a una altura de 40º sobre el horizonte.
Entre las estrellas más próximas al polo norte, la más fácilmente visible es la Estrella Polar, que se encuentra a un grado de éste, y describiendo un círculo alrededor de él. El radio de dicho círculo es unas dos veces el diámetro angular nuestra Luna.
Se llaman estrellas circumpolares para una determinada latitud aquellas estrellas que describen un círculo completo alrededor del polo celeste sin quedar bajo el horizonte en ningún momento, por lo que son siempre visibles.
El resto de las estrellas incluido el Sol y los planetas describen sólo parte de un círculo, cortando al horizonte en dos puntos: el orto y el ocaso.
En este movimiento diurno las estrellas conservan sus posiciones participando toda la esfera celeste de dicho movimiento.

Sistema de coordenadas celestes

Coordenadas horizontales

El sistema de coordenadas esféricas horizontales es el más obvio (ver figura 3):

● Acimut (a) es la distancia angular medida sobre el horizonte, desde el Sur hasta el pie del círculo máximo que pasa por el cenit y un cuerpo celeste. Se mide en sentido retrógrado, de 0 a 360 grados. Nota: en los países anglosajones se toma el origen en el Norte en lugar del Sur.


● Altura (h) es la distancia esférica del horizonte al astro. Se mide en grados desde el horizonte; es positiva si el astro se halla en el hemisferio visible y negativa si está en el invisible. La altura es el arco complementario de la distancia cenital, z = 90° - h. Estos ejes de coordenadas son los que tiene un telescopio acimutal, si bien estos telescopios no suelen tener círculos graduados indicando los valores de las coordenadas.


Coordenadas horarias
Para localizar un punto, podemos utilizar los paralelos celestes y los círculos horarios de una manera análoga a las coordenadas horizontales. Se trata de un sistema de coordenadas horarias, donde la posición viene determinada por:
● Ángulo horario (H) es la distancia angular medida hacia el oeste sobre el ecuador celeste, desde el meridiano hasta el círculo horario que pasa a través de un astro. Se mide desde el Sur, en sentido retrógrado, de 0 a 24h.
● Declinación (δ) es una distancia angular (sobre la esfera celeste) desde el ecuador celeste hasta el astro, medida (en grados) sobre el círculo horario que pasa a través de éste. Es positiva en el hemisferio celeste norte y negativa en el sur.
El ángulo horario, al tomar como referencia el meridiano del lugar, es útil para describir el cielo que ve un observador concreto en un determinado momento. Pero esta coordenada depende de la posición del observador y, por otra parte, varía rápidamente con el tiempo debido a la rotación de la Tierra. Es decir, que las coordenadas horarias no son válidas para cualquier observador en cualquier instante. Por eso, en Astronomía no se utiliza el ángulo horario para dar la posición, con carácter general, de un astro, sino otra coordenada que se define en función de un punto del ecuador celeste. Antes de definir esa coordenada, trataremos el movimiento orbital de la Tierra.

Coordenadas ecuatorial

El sistema ecuatorial es uno de los sistemas de coordenadas celestes más utilizados. Es semejante al sistema CIS en cuanto se basa en el punto Aries y en el ecuador celeste como referencias, pero en vez de definir un sistema regtangular cartesiano, utiliza dos ángulos para ubicar a un punto en la esfera celeste:
Declinación (dec o ): Es el ángulo medido entre el ecuador celeste y el punto de interés. En este sentido, es equivalente a la latitud del sistema LLA.
La declinación se mide en grados a partir del ecuador celeste, negativo hacia sur y positivo hacia el norte.
Ascención recta (RA o ): La ascención recta es el equivalente celeste a la longitud del sistema LLA y representa el ángulo entre el punto Aries y la proyección sobre el ecuador celeste del punto a ubicar.
La ascención recta es también llamada ``ángulo horario'' dado que se mide en horas, minutos y segundos hacia el este del punto Aries. Hay que recordar que esto implica que una hora de RA es equivalente a 15^o de arco.

Coordenadas locales.

Dependen de la posición del observador. Son ejemplo de coordenadas locales las Coordenadas horizontales y Coordenadas horarias. Es decir un mismo astro en un mismo momento se ven bajo coordenadas horizontales diferentes por observadores diferentes situados en puntos diferentes de la Tierra.

Coordenadas no locales.
No dependen de la posición del observador. Son ejemplo de coordenadas no locales Coordenadas ecuatoriales, Coordenadas eclípticas, Coordenadas galácticas. Es decir un mismo astro en un mismo momento cualquier observador situado en lugares diferentes ve los mismos valores para todas ellas.

Ecliptica.
La Eclíptica es la línea curva por donde «transcurre» el Sol alrededor de la Tierra, en su «movimiento aparente» visto desde la Tierra. Está formada por la intersección del plano de la órbita terrestre con la esfera celeste. Es la línea recorrida por el Sol a lo largo de un año respecto del «fondo inmóvil» de las estrellas. Su nombre proviene del latín ecliptĭca (linĕa), y este del griego εκλειπτική, relativo a los eclipses.

Plano de la Eclíptica se denomina al plano medio de la órbita de la Tierra alrededor del Sol. Contiene a la órbita de la Tierra alrededor del Sol y, en consecuencia, también al recorrido anual aparente del Sol observado desde la Tierra. Este plano se encuentra inclinado unos 23º 27' con respecto al plano del Ecuador terrestre.