In der alltäglichen Welt ist die Schwerkraft die Kraft, die Gegenstände nach unten fallen lässt. In der Astronomie ist die Gravitation auch die Kraft, die Planeten dazu bringt, sich auf nahezu kreisförmigen Umlaufbahnen um Sterne zu bewegen. Auf den ersten Blick ist es nicht offensichtlich, wie die gleiche Kraft zu so scheinbar unterschiedlichen Verhaltensweisen führen kann. Um zu verstehen, warum dies so ist, ist es notwendig zu verstehen, wie eine äußere Kraft auf ein sich bewegendes Objekt einwirkt.
Die Kraft der Schwerkraft
Die Schwerkraft ist eine Kraft, die zwischen zwei beliebigen Objekten wirkt. Wenn ein Objekt deutlich massereicher ist als das andere, zieht die Schwerkraft das weniger massereiche Objekt zum massereicheren. Ein Planet wird zum Beispiel eine Kraft erfahren, die ihn zu einem Stern zieht. In dem hypothetischen Fall, in dem die beiden Objekte anfänglich relativ zueinander stationär sind, beginnt sich der Planet in Richtung des Sterns zu bewegen. Mit anderen Worten, es wird in Richtung des Sterns fallen, so wie es die alltägliche Erfahrung der Schwerkraft nahelegen würde.
Der Effekt der senkrechten Bewegung
Der Schlüssel zum Verständnis der Bahnbewegung ist die Erkenntnis, dass ein Planet relativ zu seinem Stern nie stationär ist, sondern sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Zum Beispiel bewegt sich die Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne mit ungefähr 108.000 Kilometern pro Stunde (67.000 Meilen pro Stunde). Die Richtung dieser Bewegung ist im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der Schwerkraft, die entlang einer Linie vom Planeten zur Sonne wirkt. Während die Schwerkraft den Planeten zum Stern hin zieht, trägt ihn seine große senkrechte Geschwindigkeit seitlich um den Stern herum. Das Ergebnis ist eine Umlaufbahn.
Zentripetalkraft
In der Physik kann jede Art von Kreisbewegung als Zentripetalkraft beschrieben werden – eine Kraft, die zum Zentrum hin wirkt. Bei einer Umlaufbahn wird diese Kraft durch die Schwerkraft bereitgestellt. Ein bekannteres Beispiel ist ein am Ende einer Schnur herumgewirbelter Gegenstand. In diesem Fall kommt die Zentripetalkraft von der Saite selbst. Das Objekt wird zur Mitte hin gezogen, aber seine senkrechte Geschwindigkeit hält es im Kreis. In Bezug auf die grundlegende Physik ist die Situation nicht anders als bei einem Planeten, der einen Stern umkreist.
Kreisförmige und nicht kreisförmige Umlaufbahnen
Die meisten Planeten bewegen sich aufgrund der Art und Weise, wie Planetensysteme gebildet werden, auf annähernd kreisförmigen Bahnen. Das wesentliche Merkmal einer Kreisbahn ist, dass die Bewegungsrichtung immer senkrecht zur Verbindungslinie des Planeten mit dem Zentralstern ist. Dies muss jedoch nicht der Fall sein. Kometen zum Beispiel bewegen sich oft auf nicht kreisförmigen Bahnen, die stark verlängert sind. Solche Bahnen können immer noch durch die Schwerkraft erklärt werden, obwohl die Theorie komplizierter ist als bei kreisförmigen Bahnen.