Πώς η βαρύτητα προκαλεί πλανήτες σε τροχιά σε αστέρια;

Στον καθημερινό κόσμο, η βαρύτητα είναι η δύναμη που κάνει τα αντικείμενα να πέφτουν προς τα κάτω. Στην αστρονομία, η βαρύτητα είναι επίσης η δύναμη που αναγκάζει τους πλανήτες να κινούνται σε κυκλικές τροχιές γύρω από τα αστέρια. Εκ πρώτης όψεως, δεν είναι προφανές πώς η ίδια δύναμη μπορεί να δημιουργήσει τέτοιες φαινομενικά διαφορετικές συμπεριφορές. Για να δείτε γιατί συμβαίνει αυτό, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε πώς μια εξωτερική δύναμη επηρεάζει ένα κινούμενο αντικείμενο.

Η βαρύτητα είναι μια δύναμη που δρα μεταξύ δύο αντικειμένων. Εάν ένα αντικείμενο είναι σημαντικά πιο ογκώδες από το άλλο, τότε η βαρύτητα θα τραβήξει το λιγότερο ογκώδες αντικείμενο προς το πιο ογκώδες. Ένας πλανήτης, για παράδειγμα, θα βιώσει μια δύναμη που τον τραβά προς ένα αστέρι. Στην υποθετική περίπτωση όπου τα δύο αντικείμενα είναι αρχικά ακίνητα το ένα με το άλλο, ο πλανήτης θα αρχίσει να κινείται προς την κατεύθυνση του άστρου. Με άλλα λόγια, θα πέσει προς το αστέρι, όπως θα πρότεινε η καθημερινή εμπειρία της βαρύτητας.

Το κλειδί για την κατανόηση της τροχιακής κίνησης είναι να συνειδητοποιήσουμε ότι ένας πλανήτης δεν είναι ποτέ στατικός σε σχέση με το αστέρι του αλλά κινείται με υψηλή ταχύτητα. Για παράδειγμα, η Γη ταξιδεύει περίπου 108.000 χιλιόμετρα την ώρα (67.000 μίλια ανά ώρα) στην τροχιά της γύρω από τον ήλιο. Η κατεύθυνση αυτής της κίνησης είναι ουσιαστικά κάθετη προς την κατεύθυνση της βαρύτητας, η οποία δρα κατά μήκος μιας γραμμής από τον πλανήτη προς τον ήλιο. Ενώ η βαρύτητα τραβά τον πλανήτη προς το αστέρι, η μεγάλη κάθετη ταχύτητά του τον μεταφέρει πλαγίως γύρω από το αστέρι. Το αποτέλεσμα είναι μια τροχιά.

Στη φυσική, κάθε είδος κυκλικής κίνησης μπορεί να περιγραφεί με την έννοια της κεντρομόλης δύναμης - μιας δύναμης που δρα προς το κέντρο. Στην περίπτωση τροχιάς, αυτή η δύναμη παρέχεται από τη βαρύτητα. Ένα πιο γνωστό παράδειγμα είναι ένα αντικείμενο που περιστρέφεται στο τέλος ενός κομματιού χορδής. Σε αυτήν την περίπτωση, η κεντρομόλος δύναμη προέρχεται από την ίδια τη χορδή. Το αντικείμενο τραβιέται προς το κέντρο, αλλά η κάθετη ταχύτητα του το κρατάει σε κύκλο. Όσον αφορά τη βασική φυσική, η κατάσταση δεν διαφέρει από την περίπτωση ενός πλανήτη σε τροχιά γύρω από ένα αστέρι.

Οι περισσότεροι πλανήτες κινούνται σε περίπου κυκλικές τροχιές, ως συνέπεια του τρόπου σχηματισμού των πλανητικών συστημάτων. Το βασικό χαρακτηριστικό μιας κυκλικής τροχιάς είναι ότι η κατεύθυνση της κίνησης είναι πάντα κάθετη προς τη γραμμή που ενώνει τον πλανήτη με το κεντρικό αστέρι. Ωστόσο, αυτό δεν πρέπει να συμβαίνει. Οι κομήτες, για παράδειγμα, κινούνται συχνά σε μη κυκλικές τροχιές που είναι πολύ επιμήκεις. Τέτοιες τροχιές μπορούν ακόμη να εξηγηθούν από τη βαρύτητα, αν και η θεωρία είναι πιο περίπλοκη από ό, τι για κυκλικές τροχιές.