Hur orsakar tyngdkraften att planeter kretsar kring stjärnor?

I vardagen är tyngdkraften den kraft som får föremål att falla nedåt. I astronomi är tyngdkraften också den kraft som får planeter att röra sig i nästan cirkulära banor runt stjärnor. Vid första anblicken är det inte uppenbart hur samma kraft kan ge upphov till sådana till synes olika beteenden. För att se varför detta är, är det nödvändigt att förstå hur en extern kraft påverkar ett rörligt objekt.

Gravitation är en kraft som verkar mellan två objekt. Om det ena objektet är betydligt mer massivt än det andra, kommer tyngdkraften att dra det mindre massiva föremålet mot det mer massiva. En planet kommer till exempel att uppleva en kraft som drar den mot en stjärna. I det hypotetiska fallet där de två föremålen initialt är stilla i förhållande till varandra, kommer planeten att röra sig i riktning mot stjärnan. Med andra ord kommer den att falla mot stjärnan, precis som vardagens erfarenhet av tyngdkraften antyder.

Nyckeln till att förstå omloppsrörelser är att inse att en planet aldrig är stationär i förhållande till sin stjärna utan rör sig i hög hastighet. Till exempel reser jorden cirka 108 000 kilometer i timmen (67 000 mil i timmen) i sin omloppsbana runt solen. Rörelsen för denna rörelse är i huvudsak vinkelrät mot gravitationens riktning, som verkar längs en linje från planeten till solen. Medan tyngdkraften drar planeten mot stjärnan, bär dess stora vinkelräta hastighet den i sidled runt stjärnan. Resultatet är en omloppsbana.

Inom fysik kan alla typer av cirkulär rörelse beskrivas i termer av centripetal kraft - en kraft som verkar mot centrum. Vid en omloppsbana tillhandahålls denna kraft av gravitationen. Ett mer bekant exempel är ett objekt som virvlas runt i slutet av en sträng. I det här fallet kommer centripetalkraften från själva strängen. Objektet dras mot mitten, men dess vinkelräta hastighet håller det i rörelse i en cirkel. När det gäller grundläggande fysik skiljer sig situationen inte från fallet med en planet som kretsar kring en stjärna.

De flesta planeter rör sig på ungefär cirkulära banor som en följd av hur planetens system bildas. Det väsentliga med en cirkulär bana är att rörelseriktningen alltid är vinkelrät mot linjen som förbinder planeten med den centrala stjärnan. Detta behöver dock inte vara fallet. Kometer rör sig till exempel ofta på icke-cirkulära banor som är mycket långsträckta. Sådana banor kan fortfarande förklaras med tyngdkraften, även om teorin är mer komplicerad än för cirkulära banor.