อะไรคือสาเหตุของการรบกวนที่ค้นพบในวงโคจรของดาวยูเรนัส?

นักดาราศาสตร์ William Herschel ค้นพบดาวยูเรนัสในปี ค.ศ. 1781 เป็นดาวเคราะห์ดวงแรกที่ถูกค้นพบผ่านกล้องโทรทรรศน์และเป็นดาวเคราะห์ดวงแรกที่ไม่ได้อยู่ภายใต้การสังเกตการณ์อย่างต่อเนื่องตั้งแต่สมัยโบราณ ในช่วงหลายปีหลังจากการค้นพบนี้ นักดาราศาสตร์ได้ติดตามดาวเคราะห์ดวงใหม่อย่างระมัดระวัง พวกเขาค้นพบการรบกวนในวงโคจรของมัน ซึ่งบางส่วนสามารถอธิบายได้ด้วยผลกระทบของแรงโน้มถ่วงของ ดาวเคราะห์ที่รู้จักเช่นดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ในขณะที่คนอื่น ๆ นำไปสู่การค้นพบดาวเคราะห์ที่ไม่รู้จักมาจนบัดนี้ ดาวเนปจูน

เมื่อถึงเวลาที่ดาวยูเรนัสถูกค้นพบ กฎทางกายภาพที่ควบคุมพลวัตของระบบสุริยะก็เป็นที่เข้าใจกันเป็นอย่างดี แรงเดียวที่เกี่ยวข้องคือแรงโน้มถ่วง ซึ่งสามารถรวมกับกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันเพื่อให้คำอธิบายทางคณิตศาสตร์ที่ครอบคลุมเกี่ยวกับวงโคจรของดาวเคราะห์ สมการที่ได้นั้นมีความเข้มงวดอย่างยิ่ง ทำให้สามารถทำนายการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์บนท้องฟ้าได้อย่างแม่นยำในระดับสูง สิ่งนี้ได้ทำไปแล้วสำหรับดาวเคราะห์ที่รู้จักก่อนหน้านี้ และทำเพื่อดาวยูเรนัสภายในสองปีหลังจากค้นพบ

ในขั้นต้น การเคลื่อนไหวของดาวยูเรนัสดูเหมือนจะเป็นไปตามคำทำนายเป็นอย่างดี อย่างไรก็ตาม ตำแหน่งที่สังเกตได้ของดาวเคราะห์ค่อยๆ แยกจากตำแหน่งที่คาดไว้ เมื่อถึงปี พ.ศ. 2373 ความคลาดเคลื่อนมีมากกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของโลกถึงสี่เท่าและไม่สามารถละเลยได้อีกต่อไป คำอธิบายหนึ่งที่นักดาราศาสตร์บางคนชื่นชอบคือ สูตรแรงโน้มถ่วงของนิวตันมีข้อผิดพลาด ส่งผลให้การคาดคะเนที่ประมาณแต่ไม่ถูกต้องแม่นยำ ความเป็นไปได้อีกอย่างเดียวคือมีวัตถุที่ไม่รู้จักกำลังโคจรอยู่ที่ใดที่หนึ่งในส่วนนอกของระบบสุริยะ

การคำนวณเดิมของวงโคจรของดาวยูเรนัสได้คำนึงถึงผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของวัตถุที่รู้จักทั้งหมดในระบบสุริยะ ผลกระทบหลักมาจากดวงอาทิตย์ แต่มีผลกระทบที่น่าเป็นห่วงจากดาวเคราะห์ยักษ์ดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ ความคลาดเคลื่อนที่สังเกตได้บ่งชี้ว่ามีดาวเคราะห์ขนาดใหญ่อีกดวงรอการค้นพบนอกวงโคจรของดาวยูเรนัส ตามทฤษฎีแล้ว วงโคจรของดาวเคราะห์ที่ยังไม่ถูกค้นพบนี้สามารถคำนวณได้อย่างแม่นยำตามสมควรโดยอิงจากการรบกวนที่สังเกตได้ในตำแหน่งของดาวยูเรนัส การคำนวณเหล่านี้ดำเนินการในปี พ.ศ. 2386 โดยนักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษชื่อ John Couch Adams แต่น่าเสียดายที่ความสำคัญของพวกเขาไม่เป็นที่รู้จักในอังกฤษในขณะนั้น

การคำนวณที่คล้ายกันมากกับการคำนวณของ Adams ดำเนินการโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสชื่อ Urbain Le Verrier หลังจากนั้นไม่นาน นักดาราศาสตร์ที่หอดูดาวเบอร์ลินใช้ร่างของเลอ แวร์ริเอร์ ค้นพบดาวเคราะห์ที่ทำนายไว้ในปี ค.ศ. 1846 และต่อมาได้ชื่อว่าดาวเนปจูน หลังจากการค้นพบดาวเนปจูนและจนถึงศตวรรษที่ 20 มีการถกเถียงกันว่าการมีอยู่ของมันอธิบายการรบกวนที่เหลือในวงโคจรของดาวยูเรนัสได้ครบถ้วนหรือไม่ แต่นักดาราศาสตร์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันเชื่อว่าเป็นกรณีนี้จริงๆ