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Lección 1
Escalas en el universo y esfera celeste
La astronomía es la más vieja de las ciencias y al paso del tiempo se vuelve más excitante. La astronomía
estudia al Universo, y el Universo es todo lo que hay en el espacio: energía, materia, tiempo.
1. Nuestro lugar en el espacio
Como ya todos sabemos, no estamos en un lugar
privilegiado en el Universo. Nuestro planeta puede
considerarse casi ordinario, sobre todo si pensamos en
el lugar que ocupa en el Universo: pertenece a un
sistema de 8 planetas que giran alrededor de una
estrella, de las pequeñas, llamada Sol. Esta estrella se
localiza hacia la orilla de un grupo muy grande y
aplanado de estrellas al que llamamos Vía Láctea.
Este tipo de grupos se llaman galaxias y el número de
estrellas que contiene la Vía Láctea es de cien mil
millones de millones de estrellas, más del número total
de habitantes que hay sobre la Tierra. A su vez, la Vía
Láctea es una galaxia entre los miles de billones que
hay en lo que llamamos el Universo observable.
Si pensamos en los confines del universo, estamos
conectados con el material que allí se encuentra no solo
por nuestra prodigiosa imaginación, compartimos una
herencia cósmica común con todo el material del
Universo. Me refiero a que la mayoría de los
elementos químicos que conforman nuestro entorno y
nuestro propio cuerpo, fueron creados dentro de las
primeras generaciones de estrellas que hubo después de
la Gran Explosión. Si, en el Universo hay reciclaje de
material. Estas estrellas de que hablo, cuando gastaron
su combustible se convirtieron en gigantes rojas y
luego, cuando murieron en poderosas explosiones,
dispersaron su material a su alrededor. Este material se
colectó en nubes de gas de las que más tarde, al
colapsarse, dieron lugar a la formación de nuevas
generaciones de estrellas. Entonces, todos los átomos
sobre la Tierra se formaron en otras partes del
Universo.
Para hacernos una idea de las escalas en el Universo
usaremos la unidad de distancia conocida como año
luz. Un año luz es la distancia que viaja la luz en un
año, a 300 mil kilómetros por segundo. Esta una
medida muy grande comparada con las dimensiones
que estamos acostumbrados a medir sobre la Tierra.
Pero a veces esta unidad resulta demasiado pequeña
para las escalas grandes del Universo, así que los
astrónomos usan otra unidad para medir distancias: el
parsec, en las próximas lecciones estudiaremos en
detalle cómo se define un parsec y cómo se miden las
distancias a los objetos celestes.
La Vía Láctea tiene un diámetro de 98 años luz, que si
los traducimos a kilómetros son 9x1014, un 9 seguido
de 14 ceros. Debemos hacer conciencia de las grandes
distancias, o los tiempos enormes que se involucran en
el estudio del universo, esto implica que deberemos
aprender y hacer familiar el uso de la notación
científica, con potencias de diez, para facilitar el
manejo de números tan grandes.
1.1 Escalas en el universo
En la Figura 1 se ilustran las diferentes escalas del
Universo. En la parte baja de la figura se observa una
nave con astronautas localizados en órbita en la Tierra
y hacia arriba 5 cubos: la Tierra, el Sistema Solar, las
estrellas mas cercanas al Sol -la vecindad solar-, la
galaxia Vía Láctea, el Grupo Local -conjunto de
galaxias al que pertenece la Vía Láctea-, y por último
los cúmulos de galaxias mas cercanos. En el último
cubo las escalas de distancias de que estamos hablando
son de cientos de millones de años luz. Los números
que aparecen junto a los cubos indican la diferencia en
escala aproximada que hay entre cubos sucesivos.
Para ir acostumbrándonos veamos la siguiente lista:
mil
1 000
103
millón
1 000 000
106
billón
1 000 000 000 000 1012
Como no es fácil tomar conciencia de números tan
grandes hagamos un símil contando segundos. Si
tuviéramos que contar mil segundos tardaríamos unos
16 minutos. Si ahora queremos contar un millón de
segundos tardaremos más de dos semanas para
completar el conteo (estamos suponiendo que
contamos sólo 16 horas por día, pues hay que dejar
tiempo para comer y dormir). Pero si queremos contar
mil millones de segundos nos tomará unos 50 años
que representan la mayor y mejor parte de una vida
humana como pasar contando.
Figura 2: La Constelación Orión (a) una fotografía
del grupo de las estrellas más brillantes que
constituyen la constelación Orión. (b) las estrellas
están conectados para mostrar el modelo
visualizado por los Griegos: el contorno de un
cazador. Esta constelación se puede encontrar
fácilmente en el cielo de invierno identificando la
línea de tres estrellas brillantes en "el cinturón" del
cazador.
(c)
las
relaciones
verdaderas
tridimensionales entre las estrellas más brillantes.
El circulo azul representa la Tierra el plano
pequeño indica como vemos el conjunto de estrellas
en el cielo, aunque realmente se encuentran alejadas
unas de las otras. Las letras griegas en cada estrella
indican la escala de brillo de las estrellas, siendo la
más brillante la estrella .
Figura 1: Escalas en el universo. Los números
indican la escala aproximada entre las imágenes de
dos cubos sucesivos.
2. La visión más obvia: Las constelaciones en el
cielo
Entre la puesta del sol y la salida del sol durante una
noche clara podemos ver del orden de 3000 puntos
luminosos. Si incluimos las estrellas que se pueden ver
del lado día de la Tierra, podemos considerar que
vemos a simple vista unas 6000 estrellas. Hay una
tendencia natural humana de ver figuras que se
relacionan con objetos conocidos aun cuando ni exista
una razón para relacionarlos, por ejemplo la forma de
las nubes. En el pasado la gente conectó a las estrellas
más
brillantes
en
configuraciones
llamadas
constelaciones. Los astrónomos antiguos nombraron a
las constelaciones relacionándolas con seres
mitológicos, héroes, y animales.
3. La esfera celeste
En el transcurso de una noche, las constelaciones
parecen moverse suavemente a través del cielo del este
al oeste. Los observadores del cielo la antigüedad eran
conscientes que las posiciones relativas entre las
estrellas permanecían inalteradas año con año. Era
natural que concluyeran que las estrellas estaban fijas a
una esfera celeste que rodeaba la Tierra. La figura 3
muestra como sería la esfera celeste que giraba
alrededor de una Tierra inmóvil. Ellos sabían también
que la posición del eje de la esfera celeste era muy
cerca de la posición de una estrella llamada Polaris
(Polar).
La Figura 2 muestra la constelación de Orión. Orión
era un héroe mítico griego célebre, entre otras cosas,
por su búsqueda amorosa de las Pleiades, las siete hijas
del Atlas. Según la mitología griega, para proteger el
Pleiades de Orión, los dioses los colocaron entre las
estrellas, donde Orión todas las noches las acecha a
través del cielo. Muchas constelaciones tienen
conexiones fabulosas de modo similar con la ciencia
antigua. Otras tienen nombres más aburridos como
Telescopio, Flecha, Escudo, etc.
Desde nuestro punto de vista moderno, el movimiento
evidente de las estrellas es el resultado de la rotación de
la Tierra, no de la esfera celeste. La estrella Polar
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indica la dirección al norte geográfico -el eje sobre el
cual rota la Tierra-.
constelación Canis Mayor (Can Mayor), es denomina Canis Majoris ( CMa, abreviado); o el caso de la
estrella polar que está en la Osa Menor, como Ursae
Minoris ( UMI), etcétera.
Aunque la idea original de esfera celeste es una
descripción incorrecta del cielo, todavía usamos esta
idea para ayudarnos a visualizar las posiciones de
estrellas en el cielo. Si prolongamos el eje de rotación
dela Tierra hacia la esfera celeste la cruzará en dos
puntos que llamamos polos. En el hemisferio norte este
punto se llamará polo norte celeste y quedará justo por
arriba del polo norte terrestre, mientras que el punto del
sur será el polo sur celeste. Extendemos también el
ecuador terrestre que define ahora un ecuador celeste.
Para ayudarse a visualizarlo vea la figura 3.
En cualquier constelación hay muchas más estrellas,
que letras en el alfabeto griego, de modo que este
método para identificar estrellas muy limitado.
4. El sistema ecuatorial
Para medidas o identificación más exactas, los
astrónomos inventaron un sistema de coordenadas
celestes sobre el cielo. Si pensamos que las estrellas y
el resto de los cuerpos celestes están fijos a la esfera
celeste centrada en la Tierra (como el de la Figura 3),
un sistema como el de latitud y longitud sobre la
superficie de la Tierra se hace extensivo para la esfera
celeste. En este sistema lo que corresponde a la latitud
se llama declinación (Dec) y lo que corresponde al a
longitud se llama ascensión recta (AR).
4.1. Declinación
La declinación (Dec o ) se mide en grados (°) al norte
o al sur del ecuador celeste, tal como la latitud se mide
en grados al norte o el sur del ecuador de la Tierra.
Entonces, el ecuador celeste está en declinación 0 °, el
polo norte celeste está dec= +90 °, y el polo sur celeste
está a dec=-90° (el signo menos solo indica que está al
sur del ecuador celeste).
4.2. Ascensión Recta
La ascensión recta (RA o ) se mide en horas, minutos,
y segundos, y aumenta en la dirección hacia el este.
Aunque se usen nombres de unidades de tiempo para la
ascensión recta se trata de unidades angulares, pero es
conveniente usar unidades de tiempo en las
observaciones astronómicas. Para encontrar la
equivalencia entre unidades angulares y unidades de
tiempo se toma en cuanta que la Tierra gira alrededor
de su eje en 24 horas que debe ser equivalente a los por
360° de la circunferencia del ecuador celeste. Entonces,
en un período de tiempo de una hora, la Tierra rota un
ángulo tal que el número de grados que le corresponde
es de 360 °/24 = 15°, o 1h. En un minuto de tiempo
1min = 15 °/60 = 0.25 °=15 minutos de arco (15 '). En
un segundo de tiempo 1s = 15 '/60 = 15 segundos de
arco (15"). Al igual que necesitamos un punto de
referencia para medir la longitud sobre la superficie
terrestre (el Meridiano de Greenwich), para la
ascensión recta cero corresponde al llamado punto
vernal, que es la posición del Sol en el cielo en el
instante del equinoccio de vernal.
Figura 3: La Esfera Celeste se define usando el eje
de rotación de la Tierra y su ecuador.
Cuando se habla de las posiciones de las estrellas
"sobre el cielo", los astrónomos hablan en términos de
posiciones y separaciones angulares.
El método más simple de localizar estrellas en el cielo
es especificar la constelación a la que pertenecen. En
una constelación se clasifica a las estrellas por orden de
su brillo. A la estrella más brillante se la llama (alfa),
la primera letra del alfabeto griego, la segunda más
brillante se llama (beta), y así siguiendo el orden del
alfabeto griego. Vemos el panel c de la Figura 2, las
dos estrellas más brillantes en la constelación Orión –
que se llaman Betelgeuse y Rigel- son también
conocidas como Orionis y Orionis,
respectivamente.
Las observaciones más exactas
muestran que Rigel es en realidad más brillante que
Betelgeuse, pero igual conservamos la letra griega
asignada en la antigüedad. Otro ejemplo, Sirius (Sirio),
la estrella más brillante en el cielo se localiza en la
La ascensión recta y la declinación especifican
posiciones sobre el cielo del mismo modo como la
longitud y la latitud nos permiten localizar un punto
sobre la superficie de la Tierra. Por ejemplo, para
localizar la estrella Betelgeuse sobre la esfera celeste,
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de debe buscar 5h52m0s (AR 5h52m0s) al este del punto
de vernal y 7°24' al norte del ecuador celeste (Dec
+7°24'). La estrella Rigel se localiza en = 5h13m36s,
= -8°13 '.
observador. De aquí es que llamamos a esta línea
imaginaria el meridiano. En este sistema las
coordenadas para referir la posición de un objeto se
llaman elevación y azimut. La elevación o altura será el
ángulo entre el horizonte del observador y la altura a la
que se encuentra la estrella. Esta elevación se mide en
grados y va de [-90°,90°], será positiva para estrellas
por arriba del horizonte y negativa para las que estén
por debajo del horizonte. También se usa la distancia
cenital, que es la distancia angular entre el cenit y la
posición de la estrella. En el caso del azimut esta es
también una distancia angular contada sobre el
horizonte hasta la vertical que corresponde a la estrella
que observamos. Esta medida va de 0° a 360°. La
convención es medir el azimut desde el norte hacia do
la dirección sur, preferentemente en el sentido contrario
al movimiento de las manecillas de un reloj (aunque
ahora la mayoría de los relojes son digitales seguimos
usando la dirección de movimiento de las manecillas
de un reloj como referencia de dirección de giro).
Aunque las estrellas aparezcan moverse a través del
cielo debido a la rotación de la Tierra, sus coordenadas
celestes permanecen constantes en el curso de una
noche.
Ahora que, como el punto vernal no es tan fijo como el
meridiano de Greenwich y como la ascensión recta está
referida a la posición de este punto vernal, las
coordenadas celestes de cualquier objeto celeste tienen
una pequeña desviación debida a la precesión de la
Tierra (un cabeceo similar al que se observa al girar un
trompo). El ciclo de precesión de la Tierra tarda 26,000
años en completarse, lo cual se traduce en un cambio
en las coordenadas de cerca de 0.1" entre una noche y
otra sucesiva. Esta cantidad es muy pequeña a largo de
una noche pero se debe tener en cuanta esta corrección
para reportar la posición de objetos a lo largo del
tiempo. Los astrónomos de manera convencional
corrigen las posiciones de los objetos que observan
refiriéndolas a un equinoccio de vernal de alguna época
estándar (como el 1 de enero de 1950 o el 1 de enero de
2000, actualmente se usa más la segunda opción). Por
ejemplo, si vamos al telescopio a observar M31 y La
nebulosa de Orión, debemos llevar la lista de los
objetos a observar como sigue:
Nombre
M31
00:42:42
Orión
05:35:24
+41:16:36
+05:27:02
La inconveniencia de usar este sistema de coordenadas
es que a lo largo de la noche el azimut y altura para una
estrella cambiará, pero también el azimut y altura de la
estrella será diferente para diferentes observadores.
Además, estas coordenadas no son útiles para escribir
catálogos de objetos estelares.
5.2. Las coordenadas Galácticas
De manera similar al sistema horizontal, se define un
sistema de coordenadas referidas al plano galáctico.
Este sistema natural resulta muy útil cuando se estudia
nuestra galaxia. El punto de origen de las coordenadas
en este sistema es el sol, que se encuentra hacia la orilla
del disco de la galaxia. Se define la longitud galáctica l
como la distancia angular medida en dirección
contraria al movimiento de las manecillas del reloj,
tomando como referencia la dirección hacia el centro
galáctico (=17h 45.7m, =29° 00’), y va de 0° a 360°.
La latitud galáctica b se mide a partir del plano
galáctico, sobre un eje paralelo al de rotación de la
galaxia que pasa por el Sol, va de 0° a 90° siendo
positiva al norte y negativa al sur. Hay relaciones
matemáticas que traducen entre coordenadas galácticas
y coordenadas ecuatoriales.
(2000.0)
5. Otros sistemas de coordenadas
5.1. Sistema Horizontal
Este es el sistema de coordenadas mas natura al
observador y depende enteramente de la posición del
observador sobre la superficie de la Tierra. En este
sistema prolongamos el plano que define todo el
horizonte para un observador dado hasta cruza la esfera
celeste. El punto justo arriba del observador se llama el
cenit y la antípoda que corresponde a este punto (que
quedaría de otro lado de la Tierra) se llama nadir.
Ambos puntos corresponden a los polos del horizonte
del observador. Para un observador en este sistema el
movimiento de las estrellas será como el que
observamos del Sol en el día: sale por el este, culmina
y se mete por el oeste. La llamada culminación de una
estrella ocurre cuando alcanza su punto más alto en el
cielo. Todas las estrellas culminan en una misma línea
imaginaria que va desde el cenit sobre el meridiano que
corresponde a la ubicación sobre la Tierra del
Existen otros sistemas de coordenadas pero hemos
revisado los más usados.
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