UNA HERRAMIENTA EDUCATIVA PARA EL ALUMNO ÍNDICE Introducción Pág. 1 ACTIVIDAD 1 ACTIVIDAD 2 ACTIVIDAD 3 ACTIVIDAD 4 ACTIVIDAD 5 La esfera celeste y el

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2 UNA HERRAMIENTA EDUCATIVA PARA EL ALUMNO ÍNDICE Introducción Pág. 1 ACTIVIDAD 1 ACTIVIDAD 2 ACTIVIDAD 3 ACTIVIDAD 4 ACTIVIDAD 5 La esfera celeste y el movimiento del Sol El movimiento diurno del cielo nocturno Cómo distinguir un planeta en el cielo? Observar el cielo con prismáticos El Sol es un reactor nuclear Mapas del cielo Pág. 2 Pág. 4 Pág. 5 Pág. 7 Pág. 9 Pág. 10 INTRODUCCIÓN La Ciudad de las Artes y las Ciencias ofrece, dentro de su programa de actividades, El explorador. Nos dirigimos especialmente a vosotros, estudiantes de Secundaria y Bachillerato, porque nuestro objetivo es que seáis los protagonistas de esta actividad, participando de forma activa durante la sesión. Podréis observar, preguntar o experimentar diversas maneras de disfrutar del cielo estrellado. Una manera de hacerlo es con el uso de unos simples prismáticos, pues el equipamiento astronómico del Hemisfèric os permitirá visualizar estrellas, planetas, nebulosas y galaxias, sin salir de la sala de proyecciones. Como complemento a la sesión en la que habéis participado, tenéis este material que constituye un elemento más en el conocimiento de nuestro universo. Este cuaderno presenta interesantes y atractivos ejercicios donde te planteamos un montón de preguntas y, para los exploradores más aventureros, proponemos algunas observaciones del cielo. Tanto la actividad como el cuaderno sirven de cauce para tratar aspectos científicos que estáis habituados a estudiar en clase y que en un planetario, como el Hemisfèric, cobran mayor realismo. 1

3 LA ESFERA CELESTE Y EL MOVIMIENTO DEL SOL actividad LA ESFERA CELESTE Para situar las estrellas en el cielo imaginamos que están pegadas a una esfera imaginaria; esta esfera es la esfera celeste y la Tierra se encuentra en su centro. De este modo, podemos situar con precisión cualquier astro en el cielo, independientemente de la distancia a la que se encuentre de la Tierra. En la figura 1, puedes ver el eje de rotación de la Tierra y la esfera celeste, que parece girar alrededor de él. El plano perpendicular al eje de rotación se denomina ecuador celeste. Con qué otro plano imaginario coincide el ecuador celeste? Polo Norte Polo norte celeste Ecuador terrestre Ecuador celeste P N = Z Polo sur celeste Figura 1 Imagina observadores en distintos lugares de la Tierra. Cómo ve cada uno moverse las estrellas? Observador en el Polo Norte: para el observador que se encuentra en el Polo Norte, todas las estrellas describen círculos paralelos al horizonte; ninguna estrella sale y ninguna se pone (ver figura 2). Ecuador Tierra Horizonte Observador en latitud intermedia: para el observador que se encuentra en una latitud intermedia, como ocurre en Valencia, todas las estrellas describen arcos oblicuos respecto al horizonte, como puedes ver en la figura 2. Algunas estrellas, como la A, no se ponen nunca. Son las llamadas circumpolares. Otras, como la B, salen y se ponen (ver figura 3). P N A Z B Ecuador Figura 2 Tierra 1.2. Cómo ve moverse las estrellas el observador que se encuentra en el ecuador? Existirán para estos observadores algunas estrellas que sean circumpolares? Ayúdate de la figura 4 para contestar a estas preguntas. Z Ecuador Horizonte Figura 3 Tierra P N P S Horizonte Figura 4 2

4 actividad El punto que está en la perpendicular sobre la cabeza del observador se denomina cenit, y se ha representado por Z en los dibujos. A cuántos grados sobre el horizonte del observador está situado el cenit? 1.4. Al mirar una estrella, un observador advierte que ésta asciende cada vez más. En qué dirección de la bóveda celeste está mirando? Si contemplamos las estrellas durante algunas horas, las veremos moverse como si estuvieran fijas en el firmamento, sin cambiar la figura de las constelaciones ni la distancia aparente entre ellas. Evidentemente, esto se debe a la rotación de la Tierra. La única estrella que parece no moverse de su lugar es la Estrella Polar MOVIMIENTO DEL SOL Seguro que te has dado cuenta del movimiento del Sol en el cielo. Has notado si el recorrido del Sol cambia con las estaciones?, te has dado cuenta de si los rayos del Sol en tu casa o en el aula dejan de entrar durante algunos meses al año? Plano del ecuador 23º 27 Eclíptica Figura 5 Cenit Verano Primavera Otoño Invierno Debido a la traslación de la Tierra y a la inclinación de su órbita respecto al ecuador (23º 27 ), el Sol no sale todos los días del año por el mismo sitio. Tan sólo dos días al año sale justamente por el este y se pone justamente por el oeste. Esos dos días son los equinoccios de primavera y otoño (21 de marzo y 23 de septiembre). Sin embargo, en verano, el Sol sale por un punto situado un poco más al norte y en invierno por un punto situado algo más al sur NE E SE N NO O SO Con qué relacionas estos 23º 27? S Figura 6 En algunos lugares, el Sol pasa justo por el cenit al menos algún día del año. Esto ocurre en lugares cercanos al ecuador. Concretamente, entre dos paralelos muy conocidos: el trópico de Cáncer, situado en el hemisferio norte a una latitud de 23º 27, y el trópico de Capricornio, situado en el hemisferio sur a una latitud de 23º 27. Un observador en el trópico de Cáncer verá que el Sol pasa por el cenit sólo un día al año, el día del solsticio de verano. Y si está en el trópico de Capricornio, también verá el Sol en el cenit sólo un día al año, en el solsticio de invierno. 3

5 EL MOVIMIENTO DIURNO DEL CIELO NOCTURNO actividad 2 Imagínate que estás en medio de la noche, en la cubierta de un barco en alta mar. Cómo puedes saber la latitud a la que se encuentra tu barco? Necesitas localizar la Estrella Polar en el cielo y medir su elevación sobre el horizonte. Esta altura, medida en grados, coincidirá con la latitud del lugar en el que te encuentres En un lugar de la Tierra de latitud φ, qué ángulo forma la Estrella Polar con el cenit? 90º N (90 - φ )º Horizonte norte Dirección Estrella Polar CENIT Plano del ecuador Ecuador φº (latitud del observador) O 0º E 0º Horizonte sur 2.2. En qué lugar de la Tierra la Estrella Polar se encuentra en el cenit? -90º S Figura 7 El cielo parece girar día y noche como si fuera una esfera cristalina gigante. Por supuesto, se debe al movimiento de rotación de la Tierra sobre su eje; a este movimiento aparente del cielo se le llama movimiento diurno. La Estrella Polar, sin embargo, se mantiene prácticamente quieta en el cielo, pues está en la dirección del Polo Norte Averigua si también existe una Estrella Polar en el hemisferio sur. Figura 8. Gemini Observatory / NOAO / AURA / NSF. Fotografía de larga exposición del cielo, donde se observan las trazas dejadas por las estrellas alrededor del polo norte celeste. 4

6 CÓMO DISTINGUIR UN PLANETA EN EL CIELO? La eclíptica Tal como lo vemos desde la Tierra, el Sol parece moverse durante todo un año siguiendo una línea imaginaria, la eclíptica. Puesto que tanto los planetas como el Sol están contenidos aproximadamente en el mismo plano, resulta que los planetas parecen moverse en el cielo en una estrecha franja de unos 8º de anchura- por encima o por debajo de la eclíptica. actividad 3 Si te fijas por dónde sale el Sol, dónde está cada dos horas y por dónde se pone, serás capaz de distinguir esta franja del cielo, definida por la eclíptica, aunque sea de noche. De este modo, sabrás que todo astro que esté alejado de esa franja no podrá ser un planeta. Los tiempos de salida y puesta de los planetas Los tiempos de salida y puesta de los planetas y del Sol cambian día a día y también en función del lugar de observación, por eso es necesario encontrar una fuente de información que se actualice constantemente. Existen varias aplicaciones informáticas y páginas web para ello; por ejemplo, puedes ver la recopilación del Observatorio Astronómico de la Universitat de València en el siguiente enlace: Figura 9 Te recomendamos una página que, aunque está en inglés, es excelente para efemérides astronómicas: El mejor momento para observar Desde la salida de un planeta hasta que éste alcanza el punto más alto en el cielo, pasan varias horas, de modo que hay que deducir qué punto de la eclíptica mirar según la hora a la que se esté observando. Cómo podemos saber cuánto ha avanzado un planeta sobre la eclíptica en unas horas? A continuación, te damos algunas pautas. El tamaño de un puño cerrado indica aproximadamente lo que se mueve cualquier planeta o estrella en el cielo a lo largo de 45 minutos. Esto te puede dar una pista si decides observar el planeta, por ejemplo, 2 horas después de su salida (recuerda que estos puños debes medirlos sobre la eclíptica). Figura 10 Características de los planetas Ten en cuenta que los planetas que puedes llegar a ver a simple vista o con instrumentos no profesionales sólo son cinco: Mercurio, Venus, Marte, Júpiter y Saturno. Todos ellos, menos Mercurio, son más brillantes que la mayoría de las estrellas. La luz de los planetas no parpadea, al contrario que la de las estrellas. Si sospechas que un astro puede ser un planeta, debes realizar un seguimiento. Si lo es, te darás cuenta de que al cabo de varios días habrá variado su posición con respecto a las estrellas de su entorno. En un periodo de varios meses, un planeta puede pasar de estar en un punto de su órbita en el que esté cerca de la Tierra, a estar en el punto más alejado. Estas variaciones en la posición provocan variaciones en su brillo y magnitud vistos desde la Tierra. Mercurio y Venus siguen órbitas interiores a la Tierra, por eso sólo se pueden ver al amanecer o al anochecer, dependiendo de la posición que ocupen respecto al Sol. Al estar tan cerca del Sol, Mercurio además es muy difícil de ver. 5

7 actividad 3 CÓMO DISTINGUIR UN PLANETA EN EL CIELO? 3.1. Esta noche busca los astros más brillantes que veas en el cielo, sin contar la Luna. Intenta distinguir si se trata de estrellas o planetas, en función de las características mencionadas. Cuántos planetas crees que has encontrado? 3.4. Si en el mes elegido se ven Mercurio y Venus, puedes ver alguno de los dos a medianoche? 3.2. Busca en una revista astronómica o en las direcciones de internet antes indicadas las posiciones de los planetas para el mes en curso. Para localizarlos en el cielo, sal a observarlas con ayuda de un planisferio Como ya tienes las posiciones de los planetas tras la cuestión 3.2, búscalos en el cielo y dibuja su posición respecto a estrellas brillantes que veas a su alrededor. Realiza este seguimiento una vez por semana, dibujando siempre los planetas que ves respecto a las estrellas de fondo. Cuál es el planeta que se mueve más rápido? 3.3. Cuántos planetas puedes ver el día de la observación al atardecer? 6

8 OBSERVAR EL CIELO CON PRISMÁTICOS Con los prismáticos se pueden observar muchos objetos del cielo que a simple vista no se ven (o casi no se ven). Qué objetos son estos? Principalmente, cúmulos de estrellas, nebulosas (nubes de gas y polvo donde se están formando nuevas estrellas) y galaxias. Por supuesto, no se pueden ver todos los objetos que se verían con un telescopio, pero los que aparecen en la siguiente lista sí que se pueden encontrar y observar fácilmente. Para encontrar estos objetos, debes ayudarte de los mapas que tienes al final del cuaderno. Hay un mapa para cada estación del año, más un mapa para las constelaciones circumpolares y un mapa completo de todo el hemisferio norte celeste. En ellos, aparecen los objetos mencionados y muchos más, así como las constelaciones a las que pertenecen. actividad 4 Cielo de primavera: en la constelación de la Osa Mayor, encontramos las estrellas Mizar y Alcor. A simple vista, Alcor prácticamente no se ve, pero con unos prismáticos se pueden ver las dos perfectamente con una separación menor que un dedo meñique. Las encontrarás en el mapa de constelaciones circumpolares y también en el de primavera. Cielo de verano: nebulosas de la Laguna (M8) y Trífida (M20), ambas en la constelación de Sagitario. Las encontrarás en el mapa de verano bajo la denominación de Nube de Sagitario. Figura 12. Nebulosa Trífida. NOAO / AURA / NSF Figura 11. Máximo Ruiz, Áger / Lleida / España. Figura 13. Nebulosa de la Laguna. NOAO / AURA / NSF Cielo de otoño: galaxia de Andrómeda (M31) y cúmulo doble de Perseo (M34), en las constelaciones de Andrómeda y Perseo, respectivamente. Los encontrarás en el mapa de otoño como galaxia y doble cúmulo. Figura 14. Varias fotografías de la galaxia de Andrómeda variando el tiempo de exposición. NOAO / AURA / NSF Cielo de invierno: nebulosa de Orión (M42) en Orión, cúmulo abierto del Pesebre (M44) en Cáncer y cúmulos abiertos de las Pléyades (M45) y de las Híades en Tauro. Todos estos objetos los tienes en el mapa de invierno, la nebulosa de Orión viene como Gran Nebulosa. Figura 16. Nebulosa de Orión. NOAO / AURA / NSF 45 min. 30 min. 5 min. 1 min. Figura 15. Cúmulo doble de Perseo. NOAO / AURA / NSF Figura 17. Las Pléyades. NOAO / AURA / NSF 7

9 actividad 4 OBSERVAR EL CIELO CON PRISMÁTICOS Los prismáticos también son muy apropiados para observar detalles de los planetas. En concreto, para ver las lunas de Júpiter o apreciar que Venus presenta fases parecidas a las de la Luna (puede adquirir la forma de medio disco o de una luna creciente fina). Cómo mirar las lunas de Júpiter con prismáticos Los cuatro satélites mayores de Júpiter (Ío, Europa, Ganímedes y Calisto) se pueden ver con unos prismáticos. La principal dificultad es que una imagen con prismáticos tiembla mucho; para evitarlo, intenta apoyar las manos con los prismáticos en una barandilla o en la repisa de una ventana. * Ten en cuenta que a veces no se ven las cuatro lunas; pueden faltar una, dos, tres o todas. Las que no se ven es porque están pasando por detrás del planeta en esos días. Necesitarás averiguar en qué horas y zona del cielo puedes observar a Júpiter. Para ello, utiliza de nuevo la página que te recomendamos en la actividad 3. Tras observar Júpiter y sus lunas, haz un dibujo de lo que se veía, anotando el día y la hora; así, si repites la observación dentro de un tiempo, podrás comparar ambos dibujos. Día: Hora: Día: Hora: Día: Hora: Día: Hora: 8

10 EL SOL ES UN REACTOR NUCLEAR Actividad dirigida especialmente a Bachillerato. La fuente de energía que hace que las estrellas brillen durante miles de millones de años es la energía nuclear. Concretamente las reacciones nucleares de fusión, en las que núcleos de elementos ligeros se combinan para dar núcleos de elementos más pesados. En el caso de estrellas como nuestro Sol, la reacción se produce al combinarse, en tres pasos, cuatro núcleos de hidrógeno para dar uno de helio, como puedes ver en la secuencia que aparece a continuación. actividad 5 Paso 1 H 1 + H 1 Paso 2 D 2 + H 1 Paso 3 He 3 + He 3 e + + D 2 + ν υ + He 3 H 1 + He 4 + H 1 Figura 18. Para que estas reacciones se produzcan, se necesitan altísimas temperaturas. De hecho, la temperatura en el interior del Sol es de unos ºC. Los cuatro núcleos de hidrógeno que intervienen pesan más que el átomo final de helio, y esa diferencia de masa se libera en forma de energía. Se puede afirmar, por tanto, que las estrellas convierten masa en energía, y lo hacen según la famosa ecuación de Einstein: 5.1. Cuánta energía se libera en una de estas reacciones? Sólo tienes que calcular la diferencia de masas y aplicar la ecuación de Einstein (E = mc2). E = mc 2 Masa del núcleo de 1 H (un protón): 1,0079 u Masa del núcleo de 4 He (dos protones y dos neutrones): 4,0026 u u: unidad de masa atómica; igual a la doceava parte de la masa del carbono 12 ( 12 C, isótopo más común del carbono). 1 u = 1, x10-24 g c: velocidad de la luz en el vacío (3x10 8 m/s) julio: unidad de energía; 1 J = 1 Kg m 2 /s 2 9

11 MAPAS DEL CIELO Procedencia de los mapas: Guía del cielo Madrid. Ediciones Procivel, Primavera Notas de la exploración: 10

12 Verano Notas de la exploración: 11

13 MAPAS DEL CIELO Otoño Notas de la exploración: 12

14 Invierno Notas de la exploración: 13

15 MAPAS DEL CIELO Constelaciones circumpolares Notas de la exploración: 14

16 Cielo visible desde España 15

17 Notas de la exploración: 16

18 C.A.C. S.A. 04/2008 Ciudad de las Artes y las Ciencias Prolongación Paseo de la Alameda, 48 Entlo Valencia, España Empresa certificada ISO 9001 (nº ) / ISO (nº MA) por BVQi