Hoe zorgt zwaartekracht ervoor dat planeten om sterren draaien?

In de dagelijkse wereld is zwaartekracht de kracht die ervoor zorgt dat objecten naar beneden vallen. In de astronomie is zwaartekracht ook de kracht die ervoor zorgt dat planeten in bijna cirkelvormige banen rond sterren bewegen. Op het eerste gezicht is het niet duidelijk hoe dezelfde kracht aanleiding kan geven tot dergelijke schijnbaar verschillende gedragingen. Om te zien waarom dit is, is het noodzakelijk om te begrijpen hoe een externe kracht een bewegend object beïnvloedt.

Zwaartekracht is een kracht die werkt tussen twee objecten. Als het ene object aanzienlijk zwaarder is dan het andere, zal de zwaartekracht het minder massieve object naar het zwaardere trekken. Een planeet zal bijvoorbeeld een kracht ervaren die hem naar een ster trekt. In het hypothetische geval waarin de twee objecten aanvankelijk stationair ten opzichte van elkaar staan, zal de planeet in de richting van de ster gaan bewegen. Met andere woorden, het zal in de richting van de ster vallen, precies zoals de dagelijkse ervaring van de zwaartekracht suggereert.

De sleutel tot het begrijpen van orbitale beweging is om te beseffen dat een planeet nooit stilstaat ten opzichte van zijn ster, maar met hoge snelheid beweegt. De aarde reist bijvoorbeeld met ongeveer 108.000 kilometer per uur (67.000 mijl per uur) in zijn baan rond de zon. De richting van deze beweging staat in wezen loodrecht op de richting van de zwaartekracht, die werkt langs een lijn van de planeet naar de zon. Terwijl de zwaartekracht de planeet naar de ster trekt, draagt ​​zijn grote loodrechte snelheid hem zijwaarts rond de ster. Het resultaat is een baan.

In de natuurkunde kan elke vorm van cirkelvormige beweging worden beschreven in termen van middelpuntzoekende kracht - een kracht die naar het centrum toe werkt. In het geval van een baan wordt deze kracht geleverd door de zwaartekracht. Een bekender voorbeeld is een object dat aan het uiteinde van een touwtje ronddraait. In dit geval komt de middelpuntzoekende kracht van de snaar zelf. Het object wordt naar het centrum getrokken, maar door zijn loodrechte snelheid blijft het in een cirkel bewegen. In termen van basisfysica is de situatie niet anders dan in het geval van een planeet die om een ​​ster draait.

De meeste planeten bewegen in ongeveer cirkelvormige banen, als gevolg van de manier waarop planetaire systemen worden gevormd. Het essentiële kenmerk van een cirkelbaan is dat de bewegingsrichting altijd loodrecht staat op de lijn die de planeet verbindt met de centrale ster. Dit hoeft echter niet het geval te zijn. Kometen bewegen zich bijvoorbeeld vaak in niet-cirkelvormige banen die zeer langwerpig zijn. Dergelijke banen kunnen nog steeds worden verklaard door de zwaartekracht, hoewel de theorie ingewikkelder is dan voor cirkelvormige banen.