La esfera celeste es una esfera ideal, sin radio definido, concéntrica con 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 considera que el de la Tierra es el Eje del mundo (el de rotación de la esfera celeste), y que el ojo del observador es coincidente con el centro de la Tierra. Es un modelo que constituye uno de los conceptos fundamentales de la astronomía, especialmente para poder representar las observaciones celestes.
La esfera celeste es una construcción mental que creamos cuando miramos al cielo. Esta surge por la información que recibe de nuestros ojos. El tamaño y la separación de los ojos nos permite percibir el volumen de los objetos, pero solo hasta cierta distancia (visión estereoscópica). Posterior a esa, todos los objetos que se perciban darán la impresión de encontrarse situados a la misma distancia, puesto que serán proyectados mentalmente sobre un mismo plano.
Cuando utilizamos el sentido común, se modifica esa percepción. Si miramos al cielo y observamos objetos que se encuentran muy lejos de nosotros, el cerebro actúa de la misma manera: los proyecta sobre un mismo plano. Al desplazar la vista en todas direcciones, percibimos el cielo como si fuese una inmensa cúpula limitada por el horizonte, con nosotros situados en el centro. Tal percepción fue lo que impulsó a los antiguos filósofos a considerar que la Tierra era el centro del universo.
El movimiento de la esfera celeste es aparente y está determinado por el movimiento de rotación de nuestro planeta sobre su propio eje. La rotación de la Tierra, en dirección Oeste–Este, produce el movimiento aparente de la esfera celeste, en sentido Este–Oeste. Este movimiento lo podemos percibir de día, por el desplazamiento del Sol en el cielo, y en las noches, por el desplazamiento de las estrellas. Ambos se realizan en sentido Este–Oeste. La velocidad con que gira la esfera celeste es de 15°/hora, por lo que cada 24 horas completa un giro de 360°.
Al mismo tiempo realiza otro movimiento, también Este-Oeste (observando en dirección contraria al polo celeste), como efecto de la traslación de la Tierra pues en 24 horas, simultáneamente al giro completo, el planeta se traslada la 365.ª parte de su círculo orbital. Así el ritmo de esa segunda rotación aparente de la esfera celeste es 365 veces más lento que el generado por la rotación de la Tierra. De hecho la velocidad es de 2,5'/hora (2,5 minutos de arco por hora) por lo que cada 24 horas gira 0,98°, casi 1 grado. Es imperceptible a escala de horas pero perceptible a escala de semanas, pues a una misma hora cada 7 días las estrellas han avanzado 7° de su aparente círculo celeste porque la Tierra se ha trasladado unos 7° de su órbita. Por tanto la esfera celeste parece girar 360° cada 365 días / año. Este lentísimo movimiento es la causa de que, por ejemplo, en las noches de los días de mediados de diciembre veamos la constelación de Orión durante toda la noche y en su culmen a medianoche, y que medio año después sea invisible porque está justo bajo el sol a mediodía.
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. 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.
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