Un ejemplo astronómico de elección del sistema de referencia

Como ya se ha dicho, no existen sistemas de referencia absolutos y, en consecuencia, para estudiar los fenómenos astronómicos habrá distintas posibilidades a la hora de decidir desde dónde se describen o intentan explicar dichos fenómenos. A continuación se brinda un ejemplo de cómo puede ser analizado desde distintos sistemas de referencia un fenómeno astronómico extremadamente sencillo: el movimiento diario de las estrellas nocturnas en el cielo. Para ello se discutirán las ventajas y desventajas de cada uno de los sistemas de referencia astronómicos en función de si se desea analizar la cinemática (el cómo ocurre) o la dinámica (el por qué ocurre) del fenómeno.

El fenómeno a estudiar es sencillo de distinguir en el cielo a simple vista ya que es sumamente notorio que las estrellas no se encuentran fijas en la misma posición celeste, si no que se van desplazando con el correr de las horas manteniendo siempre la distancia entre ellas. Dado este movimiento en conjunto, desde épocas remotas distintas civilizaciones crearon "constelaciones": grupos de estrellas que forman figuras imaginarias con el fin de poder reconocerlas.

Este desplazamiento diario de las estrellas y constelaciones en el cielo no es azaroso ya que es un reflejo del movimiento de rotación terrestre. Por lo tanto, cada constelación describe un círculo cuyo centro es un punto al que se denomina “polo celeste”. Este punto constituye la proyección del eje de rotación terrestre en el cielo y su posición tiene relación con la latitud del lugar en el que se encuentra el observador: la altura del polo celeste coincide con la latitud del lugar. A su vez, cuanto más alejada angularmente se encuentra una estrella del polo, más grande es el círculo que describe en el cielo y, en consecuencia, en algún momento se pondrá por debajo del horizonte hasta salir unas horas después (Figura 3-7).

A continuación se discutirán dos posibles sistemas de referencia para describir y explicar este fenómeno de movimiento circular de las estrellas en el cielo.

Figura 3-7: Movimiento diario de la Cruz del Sur en el cielo alrededor del Polo Sur Celeste en dos localidades: en Bariloche y en Río de Janeiro (Galperin, 2011, p. 222).

Bariloche 41° Sur

Río de Janeiro 22° Sur

64

3.6.1. Sistema de referencia inercial centrado en la Tierra (sin rotación)

Si se coloca el origen del sistema de referencia en el centro de la Tierra y se considera que el mismo no rota, es sencilla la descripción del giro de las estrellas en el cielo. Sin embargo, no resulta fácil explicar cuál es la causa de este movimiento circular ya que, para ello, se debería tener en cuenta que esta causa debería crecer con la distancia desde la Tierra a la estrella con el fin de que la velocidad angular sea la misma para los diferentes astros. A su vez, tendría que explicar por qué todas las estrellas poseen el mismo eje de rotación y a qué se debe la enorme velocidad necesaria para mantenerlas “en órbita” alrededor de nuestro planeta.

Como se ve, este sistema de referencia inercial se muestra inconsistente para poder explicar adecuadamente el giro diario de las estrellas a partir de los conocimientos científicos elaborados por Newton hace más de 300 años. Sin embargo, este sistema de referencia es la base del modelo de universo geocéntrico desarrollado en la antigüedad, que permitió un gran desarrollo de la Astronomía de posición y la descripción y predicción de gran cantidad de fenómenos observables. En dicho modelo, el centro del universo coincide con el centro de una Tierra esférica, fija y estática, alrededor de la cual se ubican las estrellas a una distancia constante, insertas sobre una gran esfera que gira de este a oeste, sin explicación alguna de la razón de este giro. A la esfera de las estrellas se la denominó “esfera celeste” y a este modelo, que rigió la Astronomía durante varios siglos, se lo conoce con el nombre de “Universo de las dos esferas” (Figura 3-8).

El modelo de "Universo de las dos esferas" permite explicar en forma sencilla la cinemática básica de los desplazamientos diarios en el cielo: la idéntica velocidad angular de todas las estrellas y el giro de todas ellas alrededor de un eje común. En cambio, no permite explicar la dinámica del fenómeno: las causas del giro de la esfera celeste según los conocimientos científicos actuales.

Figura 3-8: Modelo de Universo de las dos esferas con la Tierra fija y la esfera celeste en rotación. Un observador situado en un hemisferio (a ó b) no puede observar el polo celeste opuesto ya que la superficie terrestre se lo impide (ibíd., p. 223).

65

3.6.2. Sistema de referencia no inercial centrado en la Tierra (con rotación)

Otra posibilidad para explicar el fenómeno del giro de las estrellas es colocar el origen del sistema de referencia en el centro de masas de la Tierra y suponer que dicho sistema gira alrededor de un eje que pasa por los polos geográficos terrestres, dando una vuelta por día. De este modo, es posible considerar a las estrellas y a su movimiento circular como una consecuencia de la rotación del sistema de referencia (que representa el giro de la Tierra sobre su eje), sin necesidad de incorporar variables adicionales al fenómeno. Este sistema de referencia resulta adecuado y sencillo para explicar la dinámica del movimiento de las estrellas en el cielo (el por qué se desplazan), pero genera ciertas dificultades a la hora de tener que describir dicho movimiento desde la posición de un observador concreto posicionado en un punto de la superficie terrestre. Por lo tanto, los dos sistemas de referencia detallados anteriormente son equivalentes cinemáticamente, aunque no lo son desde el punto de vista dinámico ya que uno es inercial y el otro no. Lo mismo sucederá si se coloca el origen del sistema de referencia en cualquier cuerpo del Sistema Solar, incluso en el Sol. Sin embargo, en la práctica los sistemas de referencia astronómicos son considerados inerciales para estudiar la mayoría de los fenómenos dado que las fuerzas de inercia suelen poder despreciarse frente a otras fuerzas que actúan sobre el sistema, como es el caso de la fuerza gravitatoria. En consecuencia, la elección de uno u otro sistema de referencia dependerá, como ya se ha mencionado, de las características del fenómeno a analizar y del tipo de conclusiones que se desean obtener.