Autora: Ana Belén Ramírez de Arellano Rayo.

Decir que la Tierra se mueve es correcto. Pero en física, esa afirmación carece de sentido si no se especifica respecto a qué se mide ese movimiento. La razón es fundamental: la velocidad no es una magnitud absoluta, sino una relación definida dentro de un sistema físico concreto. Para entender cómo se construye esa descripción, es necesario recorrer el problema por escalas, identificando en cada una qué masa domina el campo gravitatorio.

1. El dominio gravitatorio del Sol

En el entorno inmediato de la Tierra, el Sol actúa como centro dinámico del sistema. No por convención, sino por una razón cuantitativa: contiene más del 99,8 % de la masa del Sistema Solar. Eso implica que su campo gravitatorio domina completamente sobre el de cualquier otro cuerpo cercano (incluso Júpiter). En estas condiciones, la Tierra es un sistema gravitacionalmente ligado, y su movimiento queda confinado a una órbita.

La velocidad orbital media $v_{\oplus}$ se obtiene directamente de la mecánica newtoniana:

\begin{equation}
v_{\oplus} = \sqrt{\frac{GM_\odot}{a}} \simeq 29{,}8\ \text{km/s},
\end{equation}

donde $G$ es la constante de gravitación universal, $M_{\odot}$ es la masa del Sol y $a$ es el semieje mayor de la órbita terrestre. El concepto de “órbita” tiene aquí pleno sentido físico porque existe una masa claramente dominante que define el potencial gravitatorio local.

Este dominio se formaliza mediante la Esfera de Hill, que delimita la región alrededor del Sol en la que su gravedad es capaz de mantener órbitas estables frente a perturbaciones externas. Mientras la Tierra se mantenga en el interior de esta región de influencia, su órbita permanece gravitacionalmente ligada al Sol y protegida frente a fuerzas externas [1].

2. El Sol como parte de una estructura mayor

El Sol, sin embargo, no está aislado. Forma parte de la Vía Láctea, una galaxia espiral compuesta por cientos de miles de millones de estrellas, gas, polvo y un componente dominante de materia oscura. En este contexto, el Sol no está ligado a una estrella vecina concreta, sino a la gravedad conjunta de toda la galaxia. Su movimiento está gobernado por el potencial gravitatorio global generado por la distribución total de masa [2].

Esa distribución presenta una geometría característica:

• Un centro galáctico, donde se concentra gran parte de la masa visible.
• Un disco galáctico, una región aplanada donde se localizan la mayoría de las estrellas, incluido el Sol.

El Sol describe una órbita casi circular dentro de ese disco, con una velocidad tangencial de unos $220\text{–}240\ \text{km/s}$, un valor coherente con las curvas de rotación galácticas observadas (la curva de rotación galáctica es la que describe la velocidad de rotación de la materia observable de una galaxia frente a la distancia al centro galáctico). Además, el disco no es infinitamente fino. Por ello, el Sistema Solar oscila verticalmente respecto a su plano medio, atravesándolo cada decenas de millones de años. Este movimiento puede aproximarse localmente como una oscilación armónica simple, determinada por la densidad de masa local del disco. A esta escala, la Tierra no sigue una línea, sino una superposición de movimientos dentro de una estructura extendida.

A partir de esta escala, el concepto de sistema gravitatoriamente ligado deja de ser suficiente, y es necesario introducir un marco de referencia definido por propiedades globales del Universo.

3. Un marco de referencia cosmológico

Si ampliamos aún más la escala, surge una pregunta inevitable: ¿existe algún marco de referencia que permita describir el movimiento del conjunto de galaxias? La respuesta proviene de una observación cosmológica fundamental. En todas las direcciones del cielo se detecta una radiación casi perfectamente homogénea, emitida cuando el Universo tenía unos 380.000 años: el Fondo Cósmico de Microondas (CMB).

Si un observador estuviera completamente en reposo respecto a ese fondo, mediría la misma temperatura (aprox. 2,73 K) en todas direcciones. Sin embargo, las observaciones de alta precisión realizadas por misiones como COBE, WMAP y Planck muestran una anisotropía dipolar: el cielo es ligeramente más caliente en una dirección y más frío en la opuesta [3]. Esto se puede ver en la imagen al inicio del artículo, en la que se muestra este dipolo captado por el satélite COBE, que aparece como resultado del efecto Doppler asociado a nuestra velocidad (fuente: NASA/LAMBDA – COBE DMR). Este patrón se interpreta como una consecuencia directa del Efecto Doppler aplicado a la radiación electromagnética. Al movernos hacia el CMB, la radiación se desplaza al azul (mayor temperatura); al alejarnos, se desplaza al rojo (menor temperatura).

Este contraste térmico, $\Delta T/T$, puede interpretarse como un efecto Doppler de primer orden, de modo que la variación relativa de temperatura viene dada por
\begin{equation}
\frac{\Delta T}{T} \simeq \frac{v}{c}\cos\theta,
\end{equation}
donde $v$ es la velocidad del observador respecto al marco del CMB, $c$ la velocidad de la luz y $\theta$ el ángulo entre la dirección de observación y el vector velocidad. A partir de esta relación, se obtiene un resultado robusto: el Sistema Solar se mueve a $\mathbf{369,0 \pm 0{,}9}\ \text{\textbf{km/s}}$ respecto a dicho marco [4].

De forma complementaria, este movimiento se corrobora mediante observaciones independientes de catálogos de galaxias y fuentes de radio. Estos estudios buscan detectar una anisotropía dipolar en la distribución de materia (aberración y Doppler) análoga a la observada en el Fondo Cósmico de Microondas, verificando así la consistencia cinemática del modelo [5,6].

Es crucial entender que este sistema no define un «reposo absoluto» en sentido newtoniano, pues no existe un sistema de referencia que pueda considerarse absoluto.. Se trata, más bien, de un marco empírico definido por el hecho de que el Fondo Cósmico de Microondas se observa isotrópico, respecto al cual el movimiento del observador puede medirse con alta precisión (el marco comóvil).

4. La estructura a gran escala y el Gran Atractor

La dirección de ese movimiento no es arbitraria. Las galaxias cercanas no siguen únicamente la expansión de Hubble, sino que presentan velocidades peculiares ($\vec v_{\text{pec}}$), inducidas por la distribución inhomogénea de masa a gran escala (cúmulos y supercúmulos), reconstruidas dinámicamente a partir de catálogos de distancias y campos de velocidades [7,8].

Una de las regiones responsables de estos flujos es el llamado Gran Atractor, una zona del Universo local con una elevada concentración de masa. No se trata de un objeto puntual, sino de un pozo de potencial gravitatorio hacia el cual fluyen nuestra galaxia y sus vecinas.

Desde el punto de vista dinámico, el movimiento total de una galaxia se descompone vectorialmente como
\begin{equation}
\vec v = H_0 \vec r + \vec v_{\text{pec}},
\end{equation}
donde $H_0$ es la constante de Hubble, $\vec r$ es el vector posición de la galaxia respecto al observador y $\vec v_{\text{pec}}$ recoge las desviaciones gravitatorias locales respecto al flujo medio de expansión cósmica [9].

Conclusión

La descripción del movimiento de la Tierra no puede ni debe realizarse como un desplazamiento respecto a un espacio absoluto, sino como una composición de diferentes dinámicas asociadas a estructuras gravitatorias jerárquicas. Comprender ese movimiento implica identificar, en cada nivel, qué estructuras dominan el campo gravitatorio y qué marco de referencia resulta físicamente significativo. Ese ejercicio no solo aclara nuestras velocidades; aclara cómo está organizado el Universo.

Autora: Ana Belén Ramírez de Arellano Rayo.

Ana Belén Ramírez de Arellano Rayo es estudiante del Máster de Física Avanzada de la UNED.

Referencias:

[1] Murray, C. D., & Dermott, S. F. (1999). Solar System Dynamics. Cambridge University Press.

[2] Binney, J., & Tremaine, S. (2008). Galactic Dynamics. Princeton University Press.

[3] Fixsen, D. J., Cheng, E. S., Gales, J. M., Mather, J. C., Shafer, R. A., & Wright, E. L. (1996).
«The Cosmic Microwave Background Spectrum from the Full COBE FIRAS Data Set». The Astrophysical Journal, 473, 576. DOI: 10.1086/178173

[4] Planck Collaboration. (2020). «Planck 2018 results. I. Overview and the cosmological legacy of Planck». Astronomy & Astrophysics, 641, A1. DOI: 10.1051/0004-6361/201833880

[5] Bengaly, C. A. P., Maartens, R., Randriamiarinarivo, N., & Baloyi, A. (2019). «Testing the Cosmological Principle in the radio sky». Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 09, 025. DOI: 10.1088/1475-7516/2019/09/025

[6] Siewert, T. M., Schmidt-Rubart, M., & Schwarz, D. J. (2021). “Cosmic radio dipole: Estima-
tors and frequency dependence”. Astronomy & Astrophysics, 653, A9. DOI: 10.1051/0004-
6361/202039840

[7] Tully, R. B., Courtois, H., Hoffman, Y., & Pomarède, D. (2014). «The Laniakea Supercluster of Galaxies». Nature, 513, 71–73. DOI: 10.1038/nature13674

[8] Hoffman, Y., Valade, A., Libeskind, N. I., Sorce, J. G., Tully, R. B., Pfeifer, S., Gottlöber, S., & Pomarède, D. (2023). «The large-scale velocity field from the Cosmicflows-4 data». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 527(2), 3788–3805. 10.1093/mnras/stad3433

[9] Peebles, P. J. E. (1993). Principles of Physical Cosmology. Princeton University Press.