La sfera celeste o sfera delle direzioni, è la superficie di una sfera immaginaria, rappresentativa delle direzioni degli astri, di raggio arbitrariamente grande (o raggio unitario), centrata nell’osservatore. La sfera celeste è un modello matematico che sta alla base dell’astronomia sferica e che ha semplificato notevolmente lo studio delle posizioni e dei movimenti degli astri, descrivibili in termini di geometria sferica.
Innanzitutto, alcuni elementi fisici del nostro pianeta si possono proiettare geometricamente sulla sfera celeste, come ad esempio la retta verticale materializzata dal filo a piombo che interseca la sfera celeste in due punti fondamentali (zenit e nadir), l’asse di rotazione terrestre che interseca la sfera nei poli celesti nord e sud, il piano dell’orizzonte e il piano dell’equatore che intersecano la sfera in due importanti circoli massimi. Queste astrazioni matematiche degli elementi fisici sono impiegate per costruire i sistemi di coordinate astronomiche sulla sfera celeste.
Per definire la posizione degli astri si aggiunge un’altra astrazione: si trascura la loro distanza effettiva dall’osservatore e l’attenzione si concentra esclusivamente sulla loro direzione, chiamata anche posizione apparente. Ad esempio, le rette che congiungono l’osservatore con gli astri $A$ e $B$, incontrano la superficie della sfera nei punti $A’$ e $B’$. Essendo unitario il raggio della sfera, una volta scelto il sistema di riferimento adeguato, bastano solo due coordinate per definire la direzione di un punto, quindi si applicano le leggi della trigonometria sferica per le analisi successive come ad esempio il calcolo della distanza sferica tra due punti, il calcolo della loro posizione in base ad un diverso sistema di riferimento, lo studio del loro moto apparente, eccetera.
Nell’astronomia sferica tradizionale il centro della sfera coincide con il centro della Terra ma ogni osservatore reale o ideale è al centro della sua propria sfera celeste. La sfera che ha per centro gli occhi dell’osservatore è chiamata sfera locale o topocentrica, mentre è chiamata sfera geocentrica quella che ha per centro il centro della Terra, sfera eliocentrica se il centro è il Sole e sfera baricentrica se il centro è il baricentro del Sistema Solare.
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