Planetų judėjimą įtakojantys veiksniai
Mūsų Saulės sistemos planetų judėjimas atrodo reguliarus: jos skrieja aplink Saulę, kai kurios turi aplink jas skriejančius palydovus ir visos juda nuspėjamais modeliais. Tačiau už šio dėsningumo slypi daugybė fizikinių veiksnių – nuo dominuojančios gravitacijos jėgos iki subtilios kitų planetų įtakos, netobulų jų orbitų formų ir net reliatyvumo poveikio. Planetų judėjimą įtakojančių veiksnių supratimas ne tik padeda mums paaiškinti, kodėl planetos juda taip, kaip juda, bet ir padeda astronomams numatyti planetų padėtis, paaiškinti orbitų anomalijas ir suprasti Saulės sistemos formavimąsi bei evoliuciją.
1. Gravitacija kaip pagrindinė varomoji jėga
Svarbiausias planetų judėjimo veiksnys yra gravitacija. Pagal Niutono gravitacijos dėsnį, bet kurie du masę turintys objektai traukia vienas kitą. Saulė, turėdama milžinišką masę (apie 99,8 % visos Saulės sistemos masės), daro stiprią gravitacinę trauką planetoms. Ši trauka „suriša“ planetas, kad jos tiesiai nepajudėtų iš Saulės sistemos.
Gravitacija veikia kaip įcentrinė jėga, verčianti planetas judėti orbitomis. Be gravitacijos planetos judėtų tiesia linija pagal inercijos dėsnius. Veikiant gravitacijai, planetų orbitos yra nuolat „nukreipiamos“, todėl jos sukasi aplink Saulę orbitiniu judėjimu.
2. Pradinis planetos greitis ir impulsas
Vien gravitacijos nepakanka orbitoms paaiškinti; labai svarbus ir pradinis planetos greitis. Planetos susidaro iš besisukančio dujų ir dulkių disko (protoplanetinio disko). Medžiaga, kuri galiausiai tampa planeta, jau nuo pat pradžių turi kampinį momentą, todėl planetai susiformuojant ji jau būna „paveldėjusi“ judėjimą aplink sistemos masės centrą.
Jei planetos greitis per mažas, ji kris Saulės link. Jei jis per didelis, ji gali išvengti Saulės traukos. Pusiausvyra tarp gravitacinės traukos Saulės link ir planetos tangentinio greičio sukuria stabilią orbitą. Tai paaiškina, kodėl planetos nenukrenta į Saulę, nepaisant stiprios traukos: jos turi kaip tik tinkamą greitį, kad galėtų toliau „kristi aplink“ Saulę.
3. Atstumas nuo Saulės ir Keplerio dėsniai
Planetos atstumas nuo Saulės turi įtakos jos sukimosi periodui ir orbitiniam greičiui. Keplerio dėsniai teigia, kad arčiau Saulės esančios planetos juda greičiau, o toliau esančios – lėčiau. Taip yra todėl, kad gravitacijos jėga silpnėja didėjant atstumui.
Pavyzdžiui, Merkurijus vieną orbitą apskrieja vos per 88 Žemės dienas, o Neptūnas – apie 165 metus. Be to, Kepleris parodė, kad planetų orbitos yra elipsės, o ne idealūs apskritimai. Dėl to planetos greitis kinta visoje jos orbitoje: didesnis artimiausiame taške (perihelyje) ir mažesnis tolimiausiame taške (afelyje).
4. Orbitos forma: ekscentricitetas ir posvyris
Kiekviena planeta turi šiek tiek skirtingas orbitines charakteristikas. Du svarbūs parametrai yra šie:
– Ekscentriškumas: orbitos „elipsiškumo“ matas. Mažas ekscentriškumas reiškia, kad orbita yra beveik apskritimo formos (kaip Veneros), o didesnis ekscentriškumas reiškia, kad atstumo iki Saulės skirtumas yra reikšmingesnis (kaip Merkurijaus).
– Orbitos posvyris: orbitos posvyris atskaitos plokštumos (ekliptikos plokštumos) atžvilgiu. Posvyris turi įtakos tam, kaip planeta juda iš stebėtojo Žemėje perspektyvos, ir turi įtakos gravitacinė sąveika tarp planetų.
Nors Saulės sistema linkusi būti „plokščia“, nes yra suformuota iš besisukančio disko, nėra dviejų visiškai identiškų orbitų; šie nedideli skirtumai vaidina svarbų vaidmenį ilgalaikėje dinamikoje.
5. Gravitaciniai trikdžiai iš kitų planetų (perturbacijos)
Planetoms įtakos turi ne tik Saulė. Jos taip pat traukia viena kitą, sukeldamos orbitų trikdžius. Šie poveikiai paprastai būna nedideli, tačiau laikui bėgant gali kauptis ir sukelti orbitos formos, orientacijos ir periodo pokyčius.
Svarbus pavyzdys yra Jupiterio įtaka. Kadangi Jupiteris yra toks masyvus, jis smarkiai trikdo mažesnius kūnus, tokius kaip asteroidai, ir netgi tam tikru mastu veikia Marso ir Žemės orbitas. Trikdžiai taip pat gali sukelti tokius reiškinius kaip orbitinis rezonansas, kai dviejų kūnų orbitinių periodų santykis yra paprastas sveikųjų skaičių (pvz., 2:1 arba 3:2). Rezonansas gali stabilizuoti orbitas arba jas sutrikdyti, priklausomai nuo sistemos konfigūracijos.
6. Palydovų ir masės centro (baricentro) įtaka
Planetos su dideliais palydovais judės aplink bendrą masės centrą (baricentrą), esantį tarp planetos ir jos palydovo. Garsiausias pavyzdys yra Žemės ir Mėnulio sistema. Nors Mėnulis yra daug mažesnis už Žemę, jo masė yra pakankamai didelė, kad Žemė negalėtų visiškai „stacionariai“ sukdamasi aplink Mėnulį. Žemė atlieka nedidelius judesius aplink baricentrą, kuris yra Žemės viduje, bet ne pačiame jos centre.
Šis reiškinys taip pat svarbus norint suprasti planetų už mūsų Saulės sistemos ribų (egzoplanetų) aptikimą . Astronomai dažnai matuoja žvaigždės „svyravimą“, kurį sukelia aplink ją skriejanti planeta, kad nustatytų jos buvimą.
7. Erdvės barjerai ir vidutinės: maži, bet egzistuoja
Erdvė tokia tuščia, kad tokio pasipriešinimo kaip trintis praktiškai nėra. Tačiau dulkių dalelės, saulės vėjas ir magnetiniai laukai vis dar gali turėti nedidelį poveikį, ypač mažiems objektams, tokiems kaip kometos ar kosminės dulkės. Planetoms šis poveikis yra labai mažas, tačiau jis išlieka aktualus ilgalaikiams tyrimams ir žmogaus sukurtiems palydovams žemojoje Žemės orbitoje, kur plona atmosfera vis dar daro tam tikrą pasipriešinimą.
8. Potvynių ir atoslūgių poveikis ir energijos išsisklaidymas
Gravitacinė sąveika taip pat sukuria potvynių ir atoslūgių jėgas. Potvyniai ir atoslūgiai vyksta ne tik Žemės vandenynuose , bet ir planetos plutoje, atmosferoje ir net planetų bei palydovų vidiniame sluoksnyje. Kai kuriais atvejais potvynių ir atoslūgių jėgos sukelia įšilimą (kaip labai vulkaniškai aktyviame Ijo mėnulyje dėl Jupiterio traukos).
Ilgainiui potvynių ir atoslūgių poveikis gali pakeisti Žemės sukimąsi ir orbitą, pavyzdžiui, lėtai sulėtinti Žemės sukimąsi ir priversti Mėnulį nutolti keliais centimetrais per metus.
9. Bendroji reliatyvumo teorija ir orbitų korekcijos
Tam tikromis sąlygomis Niutono dėsnius reikia koreguoti naudojant Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją. Garsiausias reliatyvistinis efektas yra Merkurijaus perihelio poslinkis, kurio negalima iki galo paaiškinti Niutono mechanika ir kitų planetų perturbacijomis. Bendroji reliatyvumo teorija pateikia atitinkamas korekcijas, kad prognozės atitiktų stebėjimus.
Daugumoje kitų planetų reliatyvistiniai efektai yra mažesni, tačiau vis tiek svarbūs atliekant didelio tikslumo skaičiavimus, pavyzdžiui, erdvėlaivių navigacijai ir ilgalaikiam orbitų modeliavimui.
10. Saulės sistemos evoliucija ir ilgalaikiai pokyčiai
Planetų judėjimui taip pat įtakos turi ilga Saulės sistemos istorija . Ankstyvosiomis dienomis planetos migravo orbitomis dėl sąveikos su dujų disku ir planetesimalais. Šios migracijos pėdsakai matomi asteroidų pasiskirstyme, Kuiperio juostos struktūroje ir rezonansinėse konfigūracijose. Be to, per milijonų ar milijardų metų laiko skalę orbitinės sistemos gali demonstruoti chaotišką (chaotiškai deterministinį) elgesį, o tai reiškia, kad jos yra labai jautrios pradinėms sąlygoms, tačiau vis tiek laikosi aiškių fizikos dėsnių.
Išvada
Planetų judėjimą įtakoja tarpusavyje susijusių fizikinių veiksnių derinys. Saulės gravitacija yra pagrindinis veiksnys, tačiau pradinis greitis, atstumas, orbitos forma ir gravitacinės perturbacijos iš kitų planetų taip pat turi įtakos trajektorijai. Be to, yra palydovų įtaka per baricentrą, potvynių jėgos, galinčios pakeisti sukimąsi ir orbitą, nedidelis, bet esamas erdvės pasipriešinimas ir bendrosios reliatyvumo teorijos korekcijos siekiant didelio tikslumo. Suprasdami šiuos veiksnius, galime matyti, kad planetų orbitos nėra tiesiog „apskritimai aplink Saulę“, o dinaminės pusiausvyros, nusistovėjusios nuo Saulės sistemos atsiradimo ir besivystančios iki šiol, rezultatas.
