回答
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Look up in the sky
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Look up at the stars
2つご提案いたします。
まずは、青空ですと「Look up in the sky」と言います。
夜で星が見えると「Look up at the stars」と言います。
「at」を使う時は、空に何か対象物がある時に使います。
例えば、「Look up at the plane in the sky」
回答
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I happened to look up in the sky.
「ふと」というニュアンスを強調したいということでしたら、happened to 〜 を使うと近いかもしれません。「なんとなくそういう気分になって〜した」「たまたま〜した」という意味が含まれます。ただ、過去形で使う場合であり、あまり現在形では聞かない気がします。どういう状況かにもよるのですが、参考までにどうぞ。