Þættir sem hafa áhrif á hreyfingu reikistjarnanna
Hreyfing reikistjarnanna í sólkerfinu okkar virðist reglulega: þær eru á braut um sólina, sumar þeirra hafa gervihnetti sem snúast um þær og allar hreyfast þær eftir fyrirsjáanlegum mynstrum. En á bak við þessa reglufestu eru margir eðlisfræðilegir þættir að verki, allt frá ríkjandi þyngdarafli til lúmskra áhrifa annarra reikistjarna, ófullkominna lögna brauta þeirra og jafnvel áhrifa afstæðiskenningarinnar. Að skilja þá þætti sem hafa áhrif á hreyfingu reikistjarnanna hjálpar okkur ekki aðeins að útskýra hvers vegna reikistjörnurnar hreyfast eins og þær gera, heldur hjálpar það einnig stjörnufræðingum að spá fyrir um stöðu reikistjarnanna, útskýra frávik í brautum og skilja myndun og þróun sólkerfisins.
1. Þyngdarafl sem aðaldrifkraftur
Mikilvægasti þátturinn í hreyfingu reikistjarna er þyngdaraflið. Samkvæmt þyngdarlögmáli Newtons dragast tveir hlutir með massa hvor að öðrum. Sólin, með gríðarlegan massa sinn (um 99,8% af heildarmassa sólkerfisins), hefur sterkt þyngdaraflið á reikistjörnurnar. Þetta tog „bindur“ reikistjörnurnar þannig að þær færast ekki beint út úr sólkerfinu.
Þyngdarafl virkar sem miðgöngukraftur og neyðir reikistjörnurnar til að hreyfast á brautum. Án þyngdarafls myndu reikistjörnurnar hreyfast í beinni línu samkvæmt tregðulögmálinu. Með þyngdaraflinu „beygist“ braut reikistjarnanna stöðugt, sem leiðir til brautarhreyfingar þeirra um sólina.
2. Upphafshraði og skriðþungi reikistjörnunnar
Þyngdarafl eitt og sér er ekki nóg til að útskýra brautir; upphafshraði reikistjörnunnar er einnig mikilvægur. Reikistjörnur myndast úr snúningsdiski úr gasi og ryki (frumreikistjörnudiski). Efnið sem að lokum verður að reikistjarna hefur þegar hornmóment frá upphafi, þannig að þegar reikistjarnan myndast hefur hún þegar „erfð“ hreyfinguna umhverfis massamiðju kerfisins.
Ef hraði reikistjörnunnar er of lágur fellur hún í átt að sólinni. Ef hann er of mikill gæti hún sloppið við togkraft sólarinnar. Jafnvægið milli þyngdaraflsins að sólinni og snertihraða reikistjörnunnar skapar stöðuga braut. Þetta skýrir hvers vegna reikistjörnur falla ekki í sólina þrátt fyrir að vera sterkt aðdráttarafl: þær hafa nákvæmlega réttan hraða til að halda áfram að „falla í kringum“ sólina.
3. Fjarlægð frá sólinni og lögmál Keplers
Fjarlægð reikistjörnu frá sólinni hefur áhrif á snúningstíma hennar og brautarhraða. Lögmál Keplers segja að reikistjörnur sem eru nær sólinni færist hraðar en reikistjörnur sem eru fjær sólinni færist hægar. Þetta gerist vegna þess að þyngdarkrafturinn veikist með fjarlægðinni.
Til dæmis fer Merkúríus eina umferð á aðeins 88 jarðdögum, en Neptúnus tekur um 165 ár. Ennfremur sýndi Kepler fram á að brautir reikistjarnanna eru sporbaugar, ekki fullkomnir hringir. Þar af leiðandi breytist hraði reikistjörnunnar á braut hennar: hraðari á næsta punkti (heljón) og hægari á fjarlægasta punkti (afeljón).
4. Lögun sporbrautar: miðlægni og halli
Hver reikistjarna hefur örlítið mismunandi sporbrautareiginleika. Tveir mikilvægir þættir eru:
– Sérhverfa: mælikvarði á hversu „sporöskjulaga“ braut er. Lítil sérhverfa þýðir að brautin er næstum hringlaga (eins og Venus), en meiri sérhverfa gerir fjarlægðarmuninn frá sólinni marktækari (eins og Merkúríus).
– Brautarhalli: halli brautarinnar miðað við viðmiðunarplan (sólbaugsflötinn). Hallinn hefur áhrif á hvernig reikistjarnan virðist hreyfast frá sjónarhóli áhorfanda á jörðinni og hefur áhrif á þyngdarkraftssamspil milli reikistjarna.
Þótt sólkerfið sé yfirleitt „flatt“ vegna þess að það er myndað úr snúningsdiski, eru engar tvær brautir nákvæmlega eins; þessar litlu breytingar gegna hlutverki í langtímahreyfingunni.
5. Þyngdartruflanir frá öðrum plánetum (truflanir)
Reikistjörnur eru ekki bara undir áhrifum sólarinnar. Þær toga einnig hver í aðra og valda truflunum á brautum jarðar. Þessi áhrif eru almennt lítil, en þau geta safnast upp með tímanum og valdið breytingum á lögun, stefnu og brautartíma.
Lykildæmi eru áhrif Júpíters. Þar sem Júpíter er svo massamikill truflar hann verulega smærri hnetti eins og smástirni og hefur jafnvel áhrif á brautir Mars og Jarðar að einhverju leyti. Truflanir geta einnig valdið fyrirbærum eins og brautaróm, þar sem brautartími tveggja hnatta hefur einfalt heiltöluhlutfall (t.d. 2:1 eða 3:2). Ómun getur stöðvað brautir eða raskað þeim, allt eftir uppsetningu kerfisins.
6. Áhrif gervihnatta og massamiðju (þyngdarmiðju)
Reikistjörnur með stóra gervihnetti munu hreyfast umhverfis sameiginlegan massamiðju (þyngdarmiðju) milli reikistjörnunnar og gervihnötts hennar. Frægasta dæmið er Jarð-Tunglkerfið. Þótt Tunglið sé mun minna en Jörðin, þá er massi þess nógu mikill til að koma í veg fyrir að Jörðin sé alveg „kyrrstæð“ þegar hún snýst um Tunglið. Jörðin gerir litlar hreyfingar umhverfis þyngdarmiðjuna, sem er staðsett innan Jarðar en ekki í nákvæmri miðju hennar.
Þetta fyrirbæri er einnig mikilvægt til að skilja greiningu reikistjörnum utan sólkerfisins okkar (fjarreikistjörnur). Stjörnufræðingar mæla oft „vagg“ stjörnu af völdum reikistjörnu á braut um jörðu til að álykta um tilvist hennar.
7. Rýmishindranir og meðalstórar: litlar en til staðar
Geimurinn er svo tómur að viðnám eins og núningur er nánast engin. Hins vegar geta rykagnir, sólvindur og segulsvið samt sem áður haft lítil áhrif, sérstaklega á smáa hluti eins og halastjörnur eða geimryk. Fyrir reikistjörnur eru þessi áhrif mjög lítil, en þau eru enn viðeigandi fyrir langtímarannsóknir og fyrir manngerða gervihnetti á lágbraut um jörðu, þar sem þunnur lofthjúpur veitir enn einhverja viðnám.
8. Sjávarfallaáhrif og orkudreifing
Þyngdaraflsvirkni veldur einnig sjávarföllum. Sjávarföll eiga sér ekki aðeins stað í höfum jarðar , heldur einnig í jarðskorpunni, lofthjúpnum og jafnvel í innri byggingum reikistjarna og gervihnatta. Í sumum tilfellum valda sjávarföllum upphitun (eins og í mjög eldvirka tunglinu Íó vegna togkrafts Júpíters).
Til langs tíma litið geta áhrif sjávarfalla breytt snúningi og braut, til dæmis hægt á snúningi jarðar og valdið því að tunglið færist frá um nokkra sentimetra á ári.
9. Almenna afstæðiskenningin og leiðréttingar á brautum
Við ákveðnar aðstæður þarf að leiðrétta lögmál Newtons með almennu afstæðiskenningunni Einsteins. Frægasta afstæðiskenningin er hliðrun Merkúríusar á sólhimnu, sem ekki er hægt að útskýra að fullu með aflfræði Newtons og truflunum annarra reikistjarna. Almenna afstæðiskenningin veitir viðeigandi leiðréttingar svo að spár samræmist athugunum.
Á flestum öðrum reikistjörnum eru afstæðisáhrif minni en samt mikilvæg í nákvæmum útreikningum, til dæmis fyrir geimfaraleiðsögn og langtíma brautarlíkön.
10. Þróun sólkerfisins og langtímabreytingar
Hreyfing reikistjarnanna er einnig undir áhrifum frá langri sögu sólkerfisins . Í upphafi upplifðu reikistjörnurnar brautarhreyfingar vegna víxlverkunar við gasskífuna og reikistjörnur. Ummerki um þessa hreyfingu eru sýnileg í dreifingu smástirna, uppbyggingu Kuiperbeltisins og ómstillingum. Ennfremur, yfir tímakvarða frá milljónum til milljarða ára, geta brautarkerfi sýnt óreiðukennda (óreiðukennda-ákveðna) hegðun, sem þýðir að þau eru mjög næm fyrir upphafsskilyrðum, en fylgja samt skýrum eðlisfræðilögmálum.
Niðurstaða
Hreyfing reikistjarna er undir áhrifum samspils samtengdra eðlisfræðilegra þátta. Þyngdarafl sólarinnar er aðal drifkrafturinn, en upphafshraði, fjarlægð, lögun brautar og þyngdartruflanir frá öðrum reikistjörnum hafa einnig áhrif á brautina. Að auki eru áhrif gervihnatta í gegnum þyngdarpunktinn, sjávarfallakraftar sem geta breytt snúningi og braut, lítill en til staðar geimmótstaða og leiðréttingar á almennri afstæðiskenningu fyrir mikla nákvæmni. Með því að skilja þessa þætti getum við séð að brautir reikistjarna eru ekki einfaldlega „hringir í kringum sólina“ heldur frekar afleiðing af jafnvægi sem hefur myndast frá fæðingu sólkerfisins og heldur áfram að þróast til þessa dags.
