Hvordan forårsaker tyngdekraft planeter til å bane stjerner?

I hverdagens verden er tyngdekraften kraften som får gjenstander til å falle nedover. I astronomi er tyngdekraften også kraften som får planeter til å bevege seg i nesten sirkulære baner rundt stjerner. Ved første øyekast er det ikke åpenbart hvordan den samme kraften kan gi opphav til så tilsynelatende ulik oppførsel. For å se hvorfor dette er, er det nødvendig å forstå hvordan en ekstern kraft påvirker et objekt i bevegelse.

Tyngdekraften er en kraft som virker mellom to objekter. Hvis det ene objektet er betydelig mer massivt enn det andre, vil tyngdekraften trekke det mindre massive objektet mot det mer massive. En planet vil for eksempel oppleve en kraft som trekker den mot en stjerne. I det hypotetiske tilfellet der de to objektene i utgangspunktet er stasjonære i forhold til hverandre, vil planeten begynne å bevege seg i retning av stjernen. Med andre ord vil det falle mot stjernen, akkurat som hverdagsopplevelse av tyngdekraften antyder.

Nøkkelen til å forstå orbitale bevegelser er å innse at en planet aldri er stasjonær i forhold til stjernen, men beveger seg i høy hastighet. For eksempel reiser jorden rundt 108 000 kilometer i timen (67 000 miles i timen) i sin bane rundt solen. Retningen til denne bevegelsen er i det vesentlige vinkelrett på gravitasjonsretningen, som virker langs en linje fra planeten til solen. Mens tyngdekraften trekker planeten mot stjernen, bærer dens store vinkelrette hastighet den sideveis rundt stjernen. Resultatet er en bane.

I fysikk kan enhver form for sirkulær bevegelse beskrives i form av sentripetal kraft - en kraft som virker mot sentrum. I tilfelle en bane tilveiebringes denne kraften av tyngdekraften. Et mer kjent eksempel er et objekt som virvles rundt på enden av en streng. I dette tilfellet kommer sentripetalkraften fra selve strengen. Objektet trekkes mot midten, men den vinkelrette hastigheten holder den i bevegelse i en sirkel. Når det gjelder grunnleggende fysikk, er situasjonen ikke forskjellig fra tilfellet med en planet som kretser rundt en stjerne.

De fleste planeter beveger seg på omtrent sirkulære baner, som en konsekvens av måten planetariske systemer dannes på. Det vesentlige ved en sirkulær bane er at bevegelsesretningen alltid er vinkelrett på linjen som forbinder planeten med den sentrale stjernen. Dette trenger imidlertid ikke være tilfelle. Kometer beveger seg for eksempel ofte på ikke-sirkulære baner som er veldig langstrakte. Slike baner kan fortsatt forklares med tyngdekraften, selv om teorien er mer komplisert enn for sirkulære baner.