APPUNTI DI ASTRONOMIA Sfera celeste

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1.1 L’ambiente celeste

L’astronomia, la scienza che studia i corpi celesti, ha origini antiche. In India l’osservazione del cielo era praticata già nel III millennio a.C., in Cina e in Mesopotamia nel I millennio. Inizialmente gli astronomi svilupparono l’astronomia descrittiva e si dedicarono principalmente alla determinazione della posizione e alla previsione dei movimenti degli astri. In questo campo vennero raggiunti già dai Greci risultati talvolta sorprendentemente accurati, considerati i limiti degli strumenti disponibili.

La ricerca delle cause di tali movimenti ebbe inizio solo nel XVI secolo, grazie agli studi di Keplero, Galileo e Newton.

L’astronomia ha raggiunto il suo massimo sviluppo nel XX secolo: accanto agli studi della meccanica celeste sono sorte nuove branche di ricerca:

l’astrofisica, che applica le leggi fisiche allo studio dei corpi celesti; la cosmologia, che studia l’origine e l’evoluzione dell’universo; la cosmogonia, che si occupa dell’origine e dell’evoluzione delle strutture

che costituiscono l’attuale universo ( galassie, sistemi planetari , ecc..).

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1.2 La sfera celeste e le costellazioni

Se in una notte serena guardiamo il cielo da un qualsiasi luogo della Terra, esso ci appare come una grande cupola cosparsa di innumerevoli punti più o

meno luminosi. Sembra che girino intorno ad un punto fisso, la stella Polare. Abbiamo così l’impressione di trovarci sempre al centro di una sfera cava, di raggio infinito, detta sfera celeste, sulla cui superficie sono disposti i corpi celesti. La sfera celeste non esiste realmente: i corpi celesti non si trovano tutti alla medesima distanza dalla

Terra, ma lo sguardo non riesce a percepire e a misurare tali distanze.

Li vediamo come se fossero proiettati su uno schermo, così che stelle lontane appaiono vicine.Nonostante questo limite, la sfera celeste costituisce un valido artificio, un modello matematico utile per rappresentare e studiare la disposizione dei vari corpi celesti che circondano la Terra. In base alla diversa natura è possibile distinguere vari tipi di corpi celesti: stelle, galassie, pianeti, satelliti. Lo spazio tra gli astri appare vuoto, anche se è costituito in realtà da un gas di particelle molto rarefatte o da polveri, la materia interstellare.

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1.3 Gli elementi di riferimento assolutoPer stabilire la posizione esatta di un astro è utile costruire sulla sfera celeste un sistema di riferimento che abbia un valore universale, indipendente cioè dalla posizione dell’osservatore (orientamento assoluto).I due elementi di riferimento fondamentali sono l’asse del mondo e l’equatore celeste.

Prima di definirli diamo la definizione di asse terrestre. L’asse terrestre è l’asse di rotazione intorno al quale ruota la terra. Tale asse interseca la superficie terrestre in due punti detti : polo nord terrestre e polo sud terrestre.

1.3.1 Asse del mondo

L’asse del mondo è la linea ideale che si ottiene prolungando all’infinito l’asse di rotazione della Terra; esso interseca la sfera celeste in corrispondenza di due punti, denominati polo nord celeste e polo sud celeste.Il polo nord celeste attualmente si trova in prossimità della Stella Polare, nella costellazione dell’Orsa Minore.Il polo sud celeste si trova nella costellazione dell’Ottante, vicino alla stella s Oct (una stella poco brillante e difficilmente osservabile).

1.3.2 Equatore celeste

Il piano dell’equatore terrestre è perpendicolare all’asse del mondo e passa per il centro della sfera celeste. Se immaginiamo di prolungare questo piano fino ad intersecare la superficie della sfera celeste, otteniamo un circolo, detto equatore celeste.L’equatore celeste divide la sfera celeste in un emisfero settentrionale o boreale, e un emisfero meridionale o australe.

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Come sulla Terra, è possibile immaginare sulla superficie della sfera celeste un reticolo, formato da paralleli e meridiani.

I paralleli terrestri sono linee chiuse immaginarie che si ottengono dall’insieme dei punti di intersezione tra piani perpendicolari all’asse terrestre e la superficie terrestre, distanti di un grado l’uno dall’altro. I paralleli sono diversi tra di loro, il più grande si chiama equatore e diminuiscono avvicinandosi ai poli, dove si riducono ad un punto. Ne abbiamo 89 a Nord e 89 a Sud partendo dall’equatore.I meridiani terrestri sono semicirconferenze che vanno da Nord a Sud, con gli antimeridiani rappresentano l’insieme dei punti di intersezione tra i piani passanti per l’asse terrestre e la superficie

terrestre, distanti di un grado l’uno dall’altro. I meridiani sono tutti uguali l’uno all’altro, distinti in 180 meridiani e 180 antimeridiani. Il meridiano di riferimento è il meridiano 0 o di Greenwich, località nei pressi di Londra che ospita un famoso osservatorio astronomico oggi adibito a museo.

1.3.3 Paralleli celesti

I paralleli celesti sono linee chiuse

immaginarie che si ottengono dall’insieme dei punti di intersezione tra piani perpendicolari all’asse del mondo e la sfera celeste, distanti di un grado l’uno dall’altro. I paralleli sono diversi tra di loro, il più grande si chiama equatore celeste e diminuiscono avvicinandosi ai poli, dove si riducono ad un punto Ne abbiamo 89 a Nord e 89 a Sud partendo dall’equatore celeste.

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1.3.4 Meridiani celesti

I meridiani celesti sono i semicerchi che uniscono polo nord e polo sud celesti, con gli antimeridiani rappresentano l’insieme dei punti di intersezione tra i piani passanti per l’asse del mondo e la sfera celeste, distanti di un grado l’uno dall’altro.

I meridiani sono tutti uguali l’uno all’altro, distinti in 180 meridiani e 180 antimeridiani. Il meridiano di riferimento è il meridiano celeste fondamentale cioè quello passante per il punto

γ, mentre il punto diametralmente opposto è detto punto ω.

L’equatore celeste e l’eclittica, cioè l’orbita apparente di rotazione del sole intorno alla Terra, si intersecano in due punti detti punti equinoziali.

Tali punti corrispondono all’equinozio di primavera (punto γ) o nodo ascendente cioè punto dell’orbita giacente sul piano equatoriale oltre il quale il sole si innalza, per poi abbassarsi ed intersecare di nuovo il piano equatoriale nel punto ω (equinozio d’autunno) o nodo discendente.

1.3.5 Coordinate astronomiche

Il sistema di coordinate che prende come riferimento l’equatore celeste e l’asse del mondo è detto sistema delle coordinate equatoriali.Le coordinate equatoriali definiscono la posizione dell’astro dalla misura di due angoli, la declinazione e l’ascensione retta.La declinazione (δ) è la distanza angolare di un astro dall’equatore celeste. La declinazione è Nord nell’emisfero boreale (o positiva), SUD nell’emisfero australe (o negativa). I punti posti sull’equatore celeste hanno declinazione 0º ; il polo nord e il polo sud celesti hanno rispettivamente

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declinazione +90º e -90º. La declinazione quindi varia dal +90º a -90º.L’ascensione retta (α) è la distanza angolare di un astro dal meridiano fondamentale. Tale angolo si misura in senso antiorario, partendo dal meridiano fondamentale. In genere si esprime in ore, minuti e secondi, tenendo presente che ogni 4 min la volta celeste si sposta di circa 1º.Il sistema delle coordinate equatoriali è indipendente dalla posizione dell’ osservatore, perciò viene utilizzato per la costruzione delle mappe del cielo.

1.4 Gli elementi di riferimento relativoDalla posizione dell’osservatore dipende invece la prospettiva con cui si osserva la sfera celeste. Gli elementi di riferimento in questo caso sono la verticale e il piano dell’orizzonte astronomico.La verticale è la retta immaginaria che passa per il punto in cui si trova l’osservatore e per il centro della Terra. Essa interseca la sfera celeste in due punti: lo zenit, sopra la testa dell’osservatore, e il nadir, sotto i suoi piedi. Il piano dell’orizzonte celeste è il piano passante per il centro della sfera celeste e perpendicolare alla verticale del luogo. Esso interseca la sfera celeste secondo una circonferenza, che prende il nome di orizzonte astronomico del luogo.La posizione dello zenit e del piano dell’orizzonte astronomico variano secondo la latitudine dell’osservatore: il piano dell’orizzonte di un osservatore al polo nord coincide con il piano dell’equatore, mentre il piano dell’orizzonte di un osservatore all’equatore passa per l’asse terrestre.Il piano dell’orizzonte celeste, comunque sia inclinato rispetto all’asse del mondo, divide la sfera celeste in due semisfere: quella superiore visibile,

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che contiene lo zenit, e quella inferiore non visibile, che contiene il nadir.Sull’orizzonte, inoltre, è possibile identificare quattro punti cardinali: l’est e l’ovest sono i punti in cui l’equatore celeste interseca il piano dell’orizzonte; il nord e il sud sono i punti in cui il circolo meridiano locale

interseca l’orizzonte, ognuno nella direzione del corrispondente polo.1.4.1 Coordinate altazimutali

Le coordinate altazimutali definiscono la posizione di un astro dalla misura di due angoli, l’altezza e l’azimut.L’altezza (h) è la distanza angolare di un astro dal piano

dell’orizzonte. Essa corrisponde all’angolo compreso tra il segmento che unisce il centro della sfera con l’astro ed il segmento che unisce il centro della sfera con la proiezione dell’astro sul piano dell’orizzonte. Varia da 0º (sul piano dell’orizzonte) a +90º (allo zenit) a -90º (al nadir).

L’azimut (a) è l’angolo compreso tra il segmento che unisce il centro della sfera ed il Sud dell’orizzonte celeste ed il segmento che unisce il centro della sfera e la proiezione dell’astro sul piano dell’orizzonte.Si misura sull’orizzonte astronomico dell’osservatore, partendo dal punto cardinale sud e procedendo in senso orario.Le coordinate altazimutali variano durante il giorno a causa dei movimenti della sfera celeste. Nel medesimo istante, inoltre, sono diverse da luogo a luogo in relazione alla latitudine dell’osservatore.