Navegación Galileo Galilei, las lunas de Júpiter y cómo determinar la longitud

Hola,

Hemos hablado en este tugurio en varias ocasiones durante sus ya muchos años de existerncia sobre el problema de cómo determinar la longitud en medio del mar. Es muy conocida la historia de la contienda, durante buena parte del siglo XVIII, entre Nevil Maskelyne (que era el Astronónomo Real de Inglaterra) y el carpintero-relojero John Harrison por llevarse el premio de 20000 libras esterlinas que había ofrecido la Comisión de la Longitud del Parlamento inglés a quien propusiese un método capaz de determinar la longitud en la que se encontraba un barco en alta mar. La solución final a ese problema, mediante lo que hoy día llamamos navegación astronómica estándar (es decir, medir la altura de un astro y obtener una recta de altura), es conocida, especialmente por quienes estudian para CY. Pero seguramente es mucho menos conocido que a lo largo de los siglos anteriores se propusieron otras soluciones, sus autores espoleados sin duda por los suculentos premios que las distintas potencias navales iban sucesivamente convocando con el fin de conseguir la tan ansiada solución. Hoy voy a empezar a contaros el intento más serio en este sentido. Y digo voy a empezar porque esto me llevará varias entregas que iré poniendo cuando vaya teniendo tiempo. El objetivo final es proponer a los muchos aficionados a la Astronomía que, me consta, hay en este tugurio, y que disponen de un simple telescopio (como los que el Lidl pone a la venta más o menos poco antes de Navidades), que intenten poner en práctica el método. El método, que explicaré más detenidamente en próximas entregas, consiste en observar mediante el telescopio un eclipse de una de las lunas de Júpiter, anotando la hora civil del lugar en el que tal evento tiene lugar. Así de simple. Se trata de un método propuesto por primera vez nada menos que por Galileo Galilei a la Corona española en 1612. Pero antes de meternos en faena quizás os interese un poquito de historia del asunto.

La navegación de altura, lejos de la vista de la costa durante días o semanas, comenzó a finales del siglo XV con los portugueses que descubrieron y doblaron el Cabo de Buena Esperanza y establecieron la ruta a las Indias siguiendo esa derrota, y los españoles que descubrieron América tratando de establecer (dicen) una ruta a las Indias por el oeste. Esas navegaciones de altura se basaban en el principio de paralelo correr tierra encontrar. Es decir, se navegaba esencialmente siguiendo rumbos oeste o este hasta dar con tierra por la proa. Los navegantes de la época sabían determinar su latitud a partir de la altura del Sol a mediodía o de la altura de la Polar en el hemisferio norte. Disponían de tablas de declinación del Sol en función de la fecha (las Tablas Alfonsinas, confeccionadas por orden del rey Alfonso X el Sabio fueron de las primeras si es que no fueron las primeras) y tenían instrumentos para medir la altura de los astros (esencialmente ballestillas y astrolabios náuticos). Pero navegaban desconociendo la longitud en la que se encontraban para la que tan sólo tenían muy burdas aproximaciones basadas en una estima bastante inexacta pues no tampoco contaban con una medida fiable de la velocidad del barco (la corredera de barquilla no es un instrumento preciso que digamos). Sí disponían de aguja de marear (o sea, compás), pero tan sólo empezaban a darse cuenta de la existencia de la declinación magnética (Colón habla en su diario de navegación de que la aguja le norteaba).

El primer premio ofrecido a quien propusiese un método que permitiese determinar la longitud en la mar fue propuesto por la Corona española en 1598 cuando reinaba Felipe III, rey de España, Portugal y las Dos Sicilias (Sicilia y Nápoles). El premio consistía en 6000 ducados más 2000 de pensión anual vitalicia y otros 1000 de ayuda para gastos. Vamos, como si hoy día sales elegido diputado... Doce años después, concretamente justo después de la puesta de Sol del 7 de enero de 1610, Galileo Galilei estaba probando un telescopio que acababa de fabricarse (por cierto, Galileo no fue el inventor del telescopio como afirma mucha gente, pero esa es otra historia). Se le ocurrió apuntar su instrumento (el telescopio) hacia Júpiter que brillaba en el cielo como lo está haciendo precisamente estos días (Júpiter había pasado hacía poco tiempo su oposición, como también ocurre estos días). Lo que descubrió esa noche es uno de los descubrimientos astronómicos que más han influido en la historia, no sólo de la Astronomía sino de toda la ciencia, porque contribuyó decisivamente al cambio de nuestra concepción sobre el Universo. Esto es lo que anotó el propio Galileo sobre la observación de esa noche:

... el séptimo día de este año, 1610, a primera hora de la noche, mientras inspeccionaba las constelaciones celestes con un catalejo, Júpiter hizo su aparición. Y, como me había preparado un instrumento superior, pude ver que había tres estrellas junto a él, pequeñas pero muy brillantes. Aunque creí que pertenecían al grupo de estrellas fijas, no dejaban de intrigarme, porque parecían estar dispuestas exactamente a lo largo de una línea recta y en paralelo a la Eclíptica, y brillaban más que otras estrellas de su tamaño…

Además incluyó un dibujo de su puño y letra de lo que veía a través del ocular del telescopio:



Fijaros como el este (Oriente) está a la izquierda y el oeste (Occidente) a la derecha, como corresponde a un mapa del cielo. Intrigado por esas “estrellas” que acababa de descubrir, decidió observar a Júpiter al día siguiente. Lo que entonces descubrió lo describió así:

... cuando el 8 de enero volví a observar la misma parte de los cielos, me encontré una situación muy diferente, ya que había tres estrellas pequeñas al oeste de Júpiter, y estaban más cerca entre sí que la noche anterior. [...] Mi confusión se transformó en estupefacción…

y lo dibujó así:



Lo que había dejado estupefacto a Galileo es que si las estrellas que había observado próximas a Júpiter eran, como él creía tras la observación de la noche anterior, estrellas fijas como todas las demás que conocía, entonces resulta que Júpiter se había movido de una noche a la siguiente hacia la parte oriental del cielo. Sin embargo, todos los astrónomos de la época sabían que Júpiter se movía en el cielo en sentido contrario con respecto al fondo de estrellas. Galileo esperó ansioso a la noche siguiente con el fin de volver a observar para corroborar esta conclusión, pero el 9 de enero resultó un día nublado que no le permitió hacer observación alguna. Cuando el 10 de enero pudo observar de nuevo a Júpiter se encontró con que sólo se veían dos de las tres estrellas:



El 13 de enero Galileo vio aparecer una cuarta estrella. Continuó con sus observaciones de Júpiter durante algunas semanas tras las cuales comprobó que las cuatro estrellas se mantenían siempre en las proximidades de Júpiter moviéndose solidariamente con él con respecto al fondo de estrellas fijas, pero cambiando su posición con respecto al planeta y entre sí a medida que se transportaban junto a Júpiter respecto al fondo de estrellas. Llegó así a la conclusión de que estas cuatro no eran estrellas fijas sino que, por el contrario, eran cuerpos celestes que se movían siguiendo a Júpiter. Lo expresó así:

... Ahora he llegado a la conclusión de que las tres estrellas se movían sin duda alguna alrededor de Júpiter, al igual que lo hacen Venus y Mercurio alrededor de nuestro Sol…

Así que lo que había observado eran cuatro lunas del planeta Júpiter que daban vueltas a su alrededor en órbitas casi circulares de manera que desde la Tierra se veía este movimiento circular justamente de perfil, en el mismo plano en que se producía el movimiento. Galileo llamó originalmente a las lunas de Júpiter Planetas Mediceos en honor de la familia Medici, bajo cuyo mecenazgo se encontraba. Se refirió a ellos de forma individual mediante los números I, II, III y IV, por orden de cercanía al planeta. Los nombres actuales son Ío, Europa, Ganímedes y Calisto, nombres que fueron asignados por el astrónomo Simón Marius basándose en una sugerencia de Johannes Kepler.

Dos años después de descubrir los que hoy conocemos como satélites galileanos de Júpiter, en 1612, propuso a la Corona española utilizar los eclipses y ocultaciones de esas lunas por la sombra de Júpiter (eclipse) o por el propio Júpiter (ocultación) para determinar la longitud de un barco en la mar. Eso os lo contaré en la siguiente entrega.

Saludos,
Tropelio

[La Maga]

¿Por que será, Tropelio, que todas tus historias me interesan? Parece que tenemos gustos parecidos.

Tomate unos tragos, pero no mucho tiempo, en seguir contando la historia.

[capitan garfio]

sigue...sigue..

Una vez descubiertos los satélites de Júpiter tras la puesta del Sol del 7 de enero de 1610 todo sucedió muy deprisa, especialmente teniendo en cuenta la velocidad a la que la información podía diseminarse en aquella época. Tal es así que antes del final de ese mismo año 1610 los satélites de Júpiter ya habían sido observados por Kepler en Praga, por Thomas Harriet en Syon (cerca de Londres), por Nicolas-Claude Fabri de Peiresc y por Joseph Gaultier de la Valette en Aix en Provence (Francia), por los matemáticos jesuitas en el Colegio Romano en Roma y, se cree, por Simon Marius en Ansbach (cerca de Nurember, Alemania).

Los primeros intentos de utilizar los satélites de Júpiter como reloj celestial para resolver el problema de la longitud fueron inmediatos, comenzando la observación minuciosa de los satélites con el fin de determinar sus órbitas con precisión y poder así preparar tablas con las posiciones de los satélites en función de la hora en el meridiano de referencia. Peiresc observó las lunas de Júpiter desde noviembre de 1610 hasta junio de 1612. Con el resultado de estas observaciones su asociado Gaultier preparó las primeras tablas que describían sus movimientos. Se suponían las órbitas circulares alrededor de Júpiter y todas ellas contenidas en el plano de la eclíptica. Las tablas de Gaultier contenían los elementos orbitales de los satélites basándose en estas supociones. El propio Peiresc preparó entonces tablas de efemérides, es decir, un almanaque, en el que se proporcionaban las posiciones de los satélites en función del tiempo. En 1612 Jean Lombard hizo un viaje a través del Mediterráneo pasando por Marsella, Malta, Chipre y Trípoli. Durante este viaje observó siempre que pudo la disposición de los satélites de Júpiter con la intención de determinar la longitud por comparación con las efemérides de Peiresc. Pero llegó rápidamente a la conclusión de que las posiciones de los satélites no cambian lo suficientemente rápido como para que la disposición de los satélites alrededor del planeta sea útil para el fin perseguido de determinar la longitud.

Las anotaciones que Galileo hacía de todas sus observaciones indican que ya en 1612 se encontraba observando los eclipses de las lunas de Júpiter. En septiembre de ese año Galileo había establecido, mediante sus observaciones, los periodos de los satélites y había calculado y confeccionado tablas de sus movimientos. Hizo entonces una primera propuesta ese mismo año a la Corona española para enseñar a los navegantes cómo observar las lunas de Júpiter y determinar la longitud a partir de esas observaciones. Esta propuesta de Galileo en 1612 formaba parte de una propuesta más global de colaboración hecha a la Corona española por Cosimo II de'Medici, Gran Duque de la Toscana. La propuesta fue rechazada. A pesar de ello, Galileo no cejó en sus esfuerzos para tratar de convencer de la viabilidad de su idea, esfuerzos que, de hecho, no abandonó durante el resto de su vida.

En 1616, tras la prohibición por parte de la Inquisición de defender o hablar del modelo copernicano, concentró sus esfuerzos en el problema de la determinación de la longitud en el mar. Ese año hizo una segunda propuesta a la Corona española en la que criticaba el método empleado en esos tiempos para situarse en la mar (navegación siguiendo el paralelo y estima de la distancia navegada). Propuso construir un centenar de telescopios de 40 ó 50 aumentos y llevarlos a España, junto con alguien entrenado en la utilización del método que enseñase a los marinos que lo necesitaran. Galileo se comprometía a preparar personalmente cada año un almanaque con las efemérides de los satélites de Júpiter de manera que los marinos entrenados en el método serían capaces de determinar la longitud en alta mar directamente a partir de las observaciones que harían a bordo. También prometía escribir un informe en el que explicaría detalladamente todo su conocimiento sobre las lunas de Júpiter de manera que en el futuro los astrónomos pudiesen continuar y mejorar su trabajo y el método de determinación de la longitud pudiese seguir usándose. A pesar de todo este esfuerzo argumental por parte de Galileo la respuesta que obtuvo de la Corona española, por boca del Conde Orso d'Elci, no dejaba lugar a dudas: el método no era práctico para su uso a bordo de un barco en alta mar por la imposibilidad práctica de observar con un telescopio desde la cubierta de un barco en navegación. La respuesta a Galileo decía textualmente:

... De su escrito entiendo que a partir de la diferencia de tiempo en que se observa el mismo aspecto de esas estrellas alrededor de Júpiter puede saberse rápidamente la diferencia de longitudes verdaderas de esas ciudades o lugares. Pero para ello es antes obligatorio y necesario ver las mencionadas estrellas y sus aspectos. No sé como puede hacerse ésto en el mar, o al menos tan frecuente y rápidamente como es necesario para la persona que navega. Porque, dejando de lado que los telescopios no pueden ser utilizados en los barcos debido a su movimiento, incluso si pudiesen ser usados no servirían durante el día ni durante la noche con tiempo cubierto, porque las estrellas no son visibles, y el navegante necesita saber hora a hora el grado de longitud en el que está...

Galileo era consciente de estas y otras dificultades prácticas cuando realizó su segunda propuesta. En primer lugar, cuando hizo su propuesta en 1616 no existían tablas suficientemente precisas para la predicción de los eclipses de las lunas de Júpiter. Pero Galileo llevaba 5 años observando los satélites de manera sistemática y haciendo modelos de sus órbitas. Estaba seguro de poder predecir los eclipses proporcionando así las efemérides necesarias. En cuanto al problema ocasionado por el balanceo del barco a la hora de observar por el telescopio, Galileo había estado pensando sobre ello tratando de encontrar una solución adecuada. Inventó un artilugio que llamó celatone:



Consistía en un casco metálico con un visor en el que se acoplaba un pequeño telescopio. El visor podía ajustarse de maneta que podía alinearse el eje del telescopio con el ojo del usuario. De esta manera el observador podía mantener continuamente al planeta en el campo de visión del telescopio a pesar del balanceo del barco. Construyó un prototipo del celatone en el taller del Gran Duque y lo probó personalmente en la cubierta de un buque anclado en la bahía de Livorno. Meses más tarde su amigo y discípulo Benedetto Castelli lo probó en navegación. En este prototipo del celatone utilizó un telescopio de pocos aumentos, inapropiado para la observación de los satélites de Júpiter, pero sirvió para demostrar que podía utilizarse un telescopio a bordo de un barco. Tanto es así que el comandante militar Giovanni de'Medici (que no precisamente amigo de Galileo) llegó a afirmar que este invento (el celatone) era más importante que el mismo telescopio. Más tarde refinó aún más su invento proponiendo la construcción de dos semiesferas concéntricas, la interior sólo ligeramente inferior a la exterior. El espacio entre ambas semiesferas se llenaría con aceite y el observador se colocaría dentro de la semiesfera interior quedando así sentado en una suspesión cardán que contrarrestaría de manera eficaz todos los movimientos del barco.



A estos problemas prácticos se unía otro no menos importante: el telescopio de Galileo no era precisamente el más apropiado para la observación de Júpiter y sus satélites. La razón es que su ocular estaba constituido por una lente cóncava. Esto ocasionaba una apertura de campo extremadamente pequeña de manera que era difícil localizar el planeta a través del telescopio y, mucho más difícil aún, mantenerlo en el campo de visión el tiempo necesario para poder observar los eclipses de sus satélites. A pesar de todas estas dificultades Galileo respondió al Conde d'Elci tratando de convencerle de la viabilidad de su propuesta. Pero sus argumentos fueron muy generales,

... Este es todo un arte aún en desarrollo, basado en principios y métodos nuevos, que necesita ser arropado, cultivado y fomentado de manera que con práctica y tiempo se obtendrán los frutos pues ya contiene las semillas y las raices...

argumentos que no convencieron a la Corona española. Galileo continuó sus esfuerzos con España hasta alrededor de 1630. Más tarde, en 1636, inició negociaciones con Holanda, negociaciones que mantendría, sin éxito, hasta su muerte en 1642.

[Crazy_Capella]

Me encanta la idea de que tengamos un "reloj celestial"

[La Maga]

¿Has oído hablar del mecanísmo de Antikithira? Servía para predecir eclipses del sol y la luna, asi como la posición de los satélites.

Me parece uno de los mecanismos mas fascinantes descubiertos por la arqueología. Puede datar de los años 80 al 200 antes de Cristo. Usaengranajes diferenciales, lo cual es curioso dado que los primeros casos conocidos datan del siglo XVI.
Los historiadores dudan de si llegó a ser un instrumento de navegación, porque era muy delicado para transportarlo en los barcos de la época. No me parece una razón fundamental ya que iba encerrado en su caja y lo podían estibar en lugares resguardados de las inclemencias del tiempo y solo sacarlo en momentos excepcionales.
Os recomiendo que veais alguna de sus recreaciones en youtube. Es alucinante

[Horrito]

Muchas gracias Tropelio por tu magnífico escrito. Me he registrado porque quiero hacerte una pregunta. ¿Si Júpiter sólo se ve durante una parte del año, ya que está en en plano de la eclíptica, cómo se puede conocer la longitud durante el periodo del año en el que no se vea Júpiter?
Muchas gracias por tu respuesta.
Un saludo.

Originalmente publicado por Horrito

Muchas gracias Tropelio por tu magnífico escrito. Me he registrado porque quiero hacerte una pregunta. ¿Si Júpiter sólo se ve durante una parte del año, ya que está en en plano de la eclíptica, cómo se puede conocer la longitud durante el periodo del año en el que no se vea Júpiter?
Muchas gracias por tu respuesta.
Un saludo.

Hola Horrito,

Acabo de entrar en este tugurio y me ha sorprendido ver este antiguo hilo creado por mi aquí en la primera página. Ya ni me acordaba de él. Por cierto, que releyendo lo que en su día escribí me doy cuenta de que aun mi amigo Kike y yo no hemos sacado la nueva versión del ALmanaque Procivel que incluya el cálculo de las efemérides de los satélites de Júpiter... A ver si tras el verano (ahora me voy 15 días a navegar por Grecia) tenemos tiempo (estamos muy ocupados levantando España) y terminamos de pulir ese cálculo y de hacer las comprobaciones necesarias y sacamos la nueva versión. Todo se andará con los frios del invierno, esperemos...

Y contestando a tu pregunta, pues evidentemente cuando júpiter no está a la vista no se podía aplicar el método, claro. Hay que tener en cuenta que estamos hablando de comienzos del siglo XVII cuando cualquier método que funcionase era bienvenido pues no había ninguno. Si no tenías Júpiter a la vistas pues a resignarse a la estima, con los errores que eso significaba en la época de la que estamos hablando. Desde luego, este es un capítulo fascinante de la historia no ya de la navegación sino de la ciencia. Este era el probrema de la humanidad, yo diría algo así como lo será dentro de no demasiado tiempo al ritmo que vamos el problema de la producción de energía y el hacerlo de manera sostenible.

Saludos,
Tropelio

[caribdis]

Originalmente publicado por Tropelio

La navegación de altura, lejos de la vista de la costa durante días o semanas, comenzó a finales del siglo XV con los portugueses que descubrieron y doblaron el Cabo de Buena Esperanza y establecieron la ruta a las Indias siguiendo esa derrota, y los españoles que descubrieron América tratando de establecer (dicen) una ruta a las Indias por el oeste.

En primer lugar felicitaciones por la detallada y amena información.

Pero me gustaría hacerle los honores a nuestros hermanos portugueses y puntualizar que la navegación de altura en el Atlántico ya la comenzaron a principios del XV.

En 1418 ya descubrieron Porto Santo (Madeira) (João Gonçalves Zarco), en 1427 Diogo de Silves descubre Azores, en el 1422 se pasa el cabo Nao y en el 1434 Gil Eanes pasa el Cabo Bojador, que era considerado una especie de fin del mundo.

Para ello era necesario volver de ceñida contra el alisio y había que tener conocimientos diferentes al de la estima utilizada en el Mediterráneo. Los portugueses contaron con la inestimable ayuda del Infante Henrique O Navegador, que a partir de los primeros años del siglo creó la escuela de Sagres, intentando compilar el saber necesario para las navegaciones de altura, tales como la astronomía y la construcción naval, apareciendo la carabela, barco que hizo posible que durante todo el siglo se fuera avanzando a lo largo de la costa africana hasta llegar Bartolomeu Días en el 1487 a pasar Buena Esperanza y asegurarse de que había otro océano y que era posible llegar de verdad a la India por el mar.

Un saludo

[Tupac A.]

Que buena lectura para el verano!
Gracias, Tropelio