แรงโน้มถ่วงทำให้ดาวเคราะห์โคจรรอบดาวอย่างไร?

ในโลกทุกวันนี้ แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่ทำให้วัตถุตกลงมา ในทางดาราศาสตร์ แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่ทำให้ดาวเคราะห์โคจรรอบดาวฤกษ์เป็นวงใกล้เป็นวงกลม ตั้งแต่แรกเห็น ไม่ชัดเจนว่าแรงแบบเดียวกันสามารถก่อให้เกิดพฤติกรรมที่ดูเหมือนต่างกันเช่นนั้นได้อย่างไร ในการดูว่าเหตุใดจึงเป็นเช่นนี้ จำเป็นต้องเข้าใจว่าแรงภายนอกส่งผลต่อวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่อย่างไร

แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่กระทำระหว่างวัตถุสองชิ้นใดๆ หากวัตถุหนึ่งมีมวลมากกว่าวัตถุอื่นอย่างมาก แรงโน้มถ่วงจะดึงวัตถุที่มีมวลน้อยกว่าเข้าหาวัตถุที่มีมวลมากกว่า ตัวอย่างเช่น ดาวเคราะห์จะประสบกับแรงที่ดึงมันเข้าหาดาวฤกษ์ ในกรณีสมมุติฐานที่วัตถุทั้งสองเริ่มหยุดนิ่งโดยสัมพันธ์กัน ดาวเคราะห์จะเริ่มเคลื่อนที่ไปในทิศทางของดาวฤกษ์ กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือมันจะตกสู่ดาวเช่นเดียวกับประสบการณ์แรงโน้มถ่วงในชีวิตประจำวันจะแนะนำ

กุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจการเคลื่อนที่ของวงโคจรคือการตระหนักว่าดาวเคราะห์ไม่เคยหยุดนิ่งเมื่อเทียบกับดาวฤกษ์ของมัน แต่จะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง ตัวอย่างเช่น โลกกำลังเดินทางประมาณ 108,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง (67,000 ไมล์ต่อชั่วโมง) ในวงโคจรรอบดวงอาทิตย์ ทิศทางของการเคลื่อนที่นี้จะตั้งฉากกับทิศทางของแรงโน้มถ่วงเป็นหลัก ซึ่งทำหน้าที่ตามแนวเส้นจากดาวเคราะห์ถึงดวงอาทิตย์ ในขณะที่แรงโน้มถ่วงดึงดาวเคราะห์เข้าหาดาวฤกษ์ ความเร็วตั้งฉากขนาดใหญ่ของมันจะพามันไปรอบดาวฤกษ์ ผลที่ได้คือวงโคจร

ในวิชาฟิสิกส์ การเคลื่อนที่เป็นวงกลมแบบใดก็ตามสามารถอธิบายได้ในแง่ของแรงสู่ศูนย์กลาง ซึ่งเป็นแรงที่กระทำต่อศูนย์กลาง ในกรณีของวงโคจร แรงนี้มาจากแรงโน้มถ่วง ตัวอย่างที่คุ้นเคยกว่าคือวัตถุที่หมุนวนไปรอบๆ ที่ส่วนท้ายของสตริง ในกรณีนี้ แรงสู่ศูนย์กลางมาจากตัวเชือกเอง วัตถุถูกดึงเข้าหาศูนย์กลาง แต่ความเร็วตั้งฉากทำให้มันเคลื่อนที่เป็นวงกลม ในแง่ของฟิสิกส์พื้นฐาน สถานการณ์ไม่ต่างจากกรณีของดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์

ดาวเคราะห์ส่วนใหญ่เคลื่อนที่เป็นวงโคจรเป็นวงกลมโดยประมาณ ซึ่งเป็นผลมาจากการที่ระบบดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้น ลักษณะสำคัญของวงโคจรเป็นวงกลมคือทิศทางการเคลื่อนที่จะตั้งฉากกับเส้นที่เชื่อมดาวเคราะห์กับดาวฤกษ์ที่อยู่ตรงกลางเสมอ นี้ไม่จำเป็นต้องเป็นกรณีอย่างไรก็ตาม ตัวอย่างเช่น ดาวหางมักจะเคลื่อนที่ในวงโคจรที่ไม่เป็นวงกลมซึ่งยาวมาก วงโคจรดังกล่าวยังคงสามารถอธิบายได้ด้วยแรงโน้มถ่วง แม้ว่าทฤษฎีจะซับซ้อนกว่าวงโคจรแบบวงกลมก็ตาม