Astronomiya

Bir planetin cazibəsi digər planetlərin sürətini necə təsir edir?

Bir planetin cazibəsi digər planetlərin sürətini necə təsir edir?

Yerin orbitindən kənarda ona təsir edəcək qədər böyük bir planet olsaydı, yerin sürəti necə dəyişərdi? Kiçik olacağını bilirəm, amma sürət artacaq və ya azalacaq?


Digər planetin olduğu yerə görə bəzən artacaq, bəzən azalacaqdı. Ancaq onsuz da başqa planetlərə təsir göstərən planetlərin nümunələri var, məsələn Merkuri orbitində digər planetlərin (böyük ölçüdə Yupiterin) cazibə qüvvəsi və eyni zamanda ümumi nisbilik səbəbi ilə Günəş ətrafında presesses var. Yerin orbitinə onsuz da digər planetlərin təsiri var, amma Yupiterin özü də Günəşin 1/1000 kütləsinə sahibdir və çox daha uzaqdadır, buna görə təsirlər kiçikdir.


Bunun ən məşhur nümunəsi Neptunun kəşfinə səbəb olur. Planet orbitləri Kepler və Newton tərəfindən səliqəli şəkildə işlənmişdi, buna görə planetlərin nə qədər sürətli hərəkət etməsi lazım olduğunu yaxşı bilirdilər. Uran lazım olduğu qədər sürətlə hərəkət etmirdi və bu da 8-ci planetin olduğu qənaətinə gəldi.

İki planetin bənzər bir təyyarədə fırlandığını və keçmədiyini fərz etsək, daxili planet daha sürətli hərəkət edir, beləliklə həmişə xarici planetə çatır və keçər. Planetin arxasında olduqda və yetişəndə ​​daha sürətli, irəlidə olanda daha yavaş hərəkət edir. Təsiri, dediyiniz kimi, çox kiçikdir, ancaq Uran məsəlində, orbital dövrü 84 ildir, buna görə də Neptun tərəfindən keçənə qədər sürətlənməyə bir neçə on il sərf edir, sonra da oxşar bir vaxt sərf edir. bununla yavaşladı. İllər boyu sürətlənmə və yavaşlama müşahidə edilən şey, Neptunun kəşfinin təxmini yerinin hesablanmasına və qısa müddət sonra tapılmasına səbəb oldu.

3 cisim problemi mürəkkəbdir və riyaziyyat bir qədər inkişaf etmişdir, ancaq Newtonun cazibə sürətlənmə qanunları g = GM / r ^ 2-dən istifadə edərək gözlənilən orbitdən sürətlənmə və dəyişdirilmiş məsafəni təxminən bir hissəsini edə bilərsiniz. orbital dövr. Təəccüblü dərəcədə kiçikdir, ancaq bir neçə ay ərzində (Yer üçün) və ya bir neçə on ildə (Uran üçün) gözlədiyiniz şeylər üzərində işləyir. Orbitin nəzərə çarpan, lakin kiçik bir hissəsi.

Vaxt keçdikcə bu dəyişikliklər tarazlaşır, beləliklə, planetlərin rezonansa gəlməsə, orbitlər minlərlə, milyonlarla və hətta milyardlarla il ərzində dəyişməz olaraq qalır. Rezonans, orbitlərin tədricən sabitləşməsinə səbəb ola bilər.


Bir planetin fırlanma sürəti onun cazibə qüvvəsini təsir edirmi?

Məsələn, atmosferi olmayan bir peykin Ayın ətrafında dövr etməsinə imkan verin. Ay qəflətən iki dəfə daha sürətli fırlanmağa başlamışsa, peyk aydan kosmik vakuumla ayrılsa da, peykin orbitinə təsir göstərərmi?

Bunu qoymaq üçün daha asan yol, əgər Yer birdən birdən 1000 dəfə sürətlə fırlansaydı, ay üzüb gedərdimi? Bilirəm ki, planetdəki şeylər mərkəzdənqaçma gücünə görə atıla bilər, amma Yerin cazibə qüvvəsi zəifləyərmi?


Cazibə qüvvəsi

Bu yaxınlarda NASA tərəfindən 36 yaşlı kosmik gəmi Voyager 1-in rəsmi olaraq Günəşdən Neptunun orbitindən dörd qat daha uzaq bir məsafədə ulduzlararası kosmosa girdiyini və Voyager 2 ilə çox geridə qalmadığını, insanların necə idarə etdiklərini araşdırmağa dəyərli görünür. bu günə qədər kosmosa uçmaq.

Planetlərarası kosmik gəmilər hədəflərinə çatmaq üçün tez-tez cazibə yardımı adlanan bir manevrdən istifadə edirlər. Voyager 2, məşhur 1970-ci illərin sonlarında və 1980-ci illərdə Jupiter, Saturn, Uranus və Neptunu ziyarət etmək üçün cazibə qüvvələrindən istifadə etdi. Cassini, Satürnə çatmaq üçün Venerada iki, Yerdə və Yupiterdə bir asist istifadə etdi. Yeni Üfüqlər, Yupiterdəki kömək sayəsində 2015-ci ildə Plutona gələcək. Və Messenger Earth, Venus və Merkurinin özündə üç dəfə asist istifadə edərək sürətlənmək üçün yox, nəhayət Merkuri tərəfindən tutulacaq qədər yavaşladı.

Mariner-Jupiter-Saturn 1977 Spacecraft Artwork, 1975 NASA və JPL, əvvəlcə Voyagers'ı Mariner-Jupiter-Saturn 1977 Layihəsi olaraq adlandırdılar. İki Voyager, JPL-in Venera, Mars və Merkürə uğurla uçduğu Mariner sinif kosmik gəmisinin inkişaf etmiş versiyaları idi. Burada 1975-ci il JPL sənətkarının Yupiterlə qarşılaşdıqdan sonra və ağırlıqlı yardımdan sonra Saturna yaxınlaşdıqdan sonra Voyager-i göstərməsi göstərilir. Şəkil: NASA / JPL

Missiya planlaşdırıcıları cazibə qüvvələrindən istifadə edirlər, çünki məqsədin tələb olunandan daha az yanacaqla (və bu səbəbdən daha kiçik, daha ucuz raketlə) həyata keçirilməsinə imkan verirlər. Əlavə yanacağın orbitə qaldırılması, daha sonra istifadə oluna bilməsi üçün həddən artıq bahadır. Bundan əlavə, cazibə qüvvəsi ilə qazanılan əlavə sürət xarici planetlərə bir missiya müddətini kəskin şəkildə azaldır.

Cazibə köməkçiləri bir az müəmmalı görünür, kimsə heç nəyə görə bir şey əldə edir. Bu hiss bəzi fizikaları bilsən də davam edə bilər. Enerji qorunub saxlanıldığına görə düşünürsən, bir kosmik gəmi bir planetin yanından keçərək necə dəqiq bir sürət əldə edə bilər? Enerji qənaəti, kosmik gəminin planetə yaxınlaşarkən sürətlənməsini, sonra yola çıxarkən eyni sürəti itirməsini təklif edir. Bu yaxınlarda bir həmkarımla, "cazibə qüvvəsi" ifadəsini bilən, amma bunun həqiqətən işləyə biləcəyinə inanmadığı üçün marketinq hiperbolizi olduğunu düşünən əla bir plazma fizikiylə söhbət etdim. Gizli izah olunmağa yalvarır.

Bir cazibə köməkçisinin necə işlədiyini başa düşməyin açarı problemi iki fərqli baxımdan və ya istinad çərçivəsindən götürməkdir. Həm planet, həm də günəş (və ya günəş sistemi) üçün istinad çərçivələri barədə düşünmək rahatdır. Dil qənaəti üçün onlara "planet çərçivəsi" və "günəş çərçivəsi" deyəcəyəm.

Planet çərçivəsində planet yerində oturur (tərifə görə!). Daha da əhəmiyyətlisi, planet kosmik gəmidən daha çox kütləvi olduğundan, planet iki obyektin kütləsinin mərkəzində demək olar ki, tam oturur və qarşılaşma nəticəsində ölçülə bilən bir miqdarda reaksiya vermir. Məsələn, Yupiter, Voyager kosmik gəmisindən təxminən 10 ilə 24-cü dəfə daha güclüdür, buna görə Yupiter bir qarşılaşmanı son dərəcə yüksək bir dəqiqliyə məhəl qoymur. Bu, kosmik gəminin kinetik enerjidən (hərəkət enerjisindən) əlavə potensial enerjidən (kütləvi bir cismə yaxın olması səbəbindən enerji) ibarət olan ümumi enerjisi bu çərçivədəki qarşılaşma boyunca qorunur deməkdir.

Planet çərçivəsindəki kosmik gəmi həqiqətən həmkarımın düşündüyü kimi yaxınlaşarkən sürətlənir və yola çıxarkən eyni miqdarda yavaşlayır. Yaxınlaşma zamanı, kosmik gəmi planetin cazibə quyusuna düşdükcə kinetik enerji qazanır (yəni sürət) və cazibə potensial enerjisini itirir, enişlə yuvarlanan bir top kimi bir-birinə satılır. Qarşılaşmadan sonra cazibə quyusundan geri qalxır və yaxınlaşma zamanı qazandığı kinetik enerjini itirir və başladığı son sürətlə sona çatır. Qarşılaşma zamanı kosmik gəminin istiqaməti dəyişir, buna görə də ümumiyyətlə planetdən fərqli bir istiqamətə çıxır. Sapma miqdarı kosmik gəminin planetə nə qədər yaxınlaşdığını tənzimləməklə idarə oluna bilər. Yaxınlaşdıqda, əyilmə bir o qədər çox olur. Sıfır dərəcə yaxınlığında, geniş bir qaçırma düzəldərək çox kiçik bir sapma etmək mümkündür. Maksimum sapma 180 dərəcədir, kosmik gəmini gəldiyi yerə geri göndərir, son dərəcə yaxın bir yaxınlaşma təşkil edərək əldə edilir. Riyazi olaraq kosmik gəminin yolu bir hiperboladır, buna görə kosmik gəmi planet çərçivəsindəki hiperbolik bir trayektoriyanı izləyir.

İndi Günəşin dayandığı və planetin hərəkət etdiyi Günəş çərçivəsindəki qarşılaşmanın necə olduğunu nəzərdən keçirək. Planet çərçivəsi ilə Günəş çərçivəsi arasındakı fərq, planetin Günəşə nisbətən sürətidir. Planet çərçivəsindən Günəş çərçivəsinə çevrilmək üçün planetin sürətini həm planetə, həm də kosmik gəmiyə əlavə edirik. Bu sürət bir vektordur, yəni istiqamət vacibdir və qarşılaşma zamanı planetin öz orbitindəki mövqeyindən asılı olaraq hər hansı bir ixtiyari istiqamətdə ola bilər (Həm də zamanla dəyişir, çünki planet planetin ətrafında əyri bir orbiti izləyir. günəş, ancaq kosmik gəmi ilə nisbətən qısa bir qarşılaşma zamanı planetin düz bir xətt üzərində hərəkət etdiyini düşünmək ağlabatan bir təxmindir). Planetlə qarşılaşdıqda kosmik gəminin istiqaməti dəyişdiyindən və gəminin ilkin istiqaməti də təsadüfi olduğundan qarşılaşmanın Günəş çərçivəsində necə görünəcəyi dərhal açıq deyil. İstiqamət özbaşınalığı, Günəş çərçivəsindəki zəngin bir davranış toplusunu meydana gətirir, hamısı Newtonun hərəkət qanunlarına uyğun olaraq, planet çərçivəsindəki görüşlər sadə hiperbolik trayektoriyalardır. Çox vacibdir ki, istiqamət dəyişir, kosmik gəminin sürəti qarşılaşmadan əvvəl və sonra Günəş şüasında baxıldıqda fərqlidir. Gedən sürət gələn sürətlə eyni deyil və kosmik gəmi ya sürətlənə bilər, ya da yavaşlaya bilər. Bunun necə işlədiyini nümunə ilə görək.

Şəkil 1: Nümunə qarşılaşma Şəkil: David Shortt

Şəkil 1 qarşılaşmanın uydurma nümunəsini göstərir. Üst panel, planetin (qara rəngdə) sağa doğru irəlilədiyi Günəş çərçivəsindəki qarşılaşmanı və kosmik gəminin (mavi rəngdə) bir cazibə qüvvəsini sınadığını göstərir. Alt panel, kosmik aparatın planetə aşağıdan yaxınlaşdığı və planetin yerində oturduğu planet çərçivəsindən görünüşü göstərir. Trafikin planet çərçivəsində təxminən 90 dərəcə bükülməsi üçün yanaşma parametrlərini seçdim. Planet çərçivəsində kosmik gəmi planetdən yaxınlaşdığı sürətlə ayrılır, lakin Günəş çərçivəsində kosmik gəminin biraz sürət qazandığı aydın olur. Kosmik gəminin planetə arxadan necə yaxınlaşdığını, yaxınlaşdıqca sürətləndiyini və planetin ətrafında "azmış" görüntüləri görə bilərsiniz. Bu nümunədə kosmik gəmi planetin öz sürətinin təxminən 60% -ni qazanır. Sonradan bu nümunənin Yupiter, Saturn və Uranda Voyager 2 ilə baş verənlərə olduqca yaxın olduğunu görəcəyik.

Bu necə olur? Alt paneldə kosmik gəminin əvvəlcə bir az sürətlə şaquli hərəkət etdiyini düşünün, ona zəng edin v. Qarşılaşmadan sonra eyni sürətlə planetdən ayrılır v, lakin üfüqi istiqamətdə. Günəş şüasına çevrilmək üçün planetin sürətini əlavə edirik (bunu özbaşına olaraq seçdim v üfüqi istiqamətdə) həm planetə, həm də kosmik aparata. Pifaqor teoremindən istifadə edərək Günəş çərçivəsindəki kosmik gəmi əvvəlcə şaquli və üfiqi sürətlərin kvadratlarının cəminin kvadrat kökünə bərabər olan ümumi bir sürətə malikdir, yəni v kvadratın kökü 2-yə və ya təxminən 1.4-ə bərabərdirv. Planeti tərk edir v + v = 2v yatay istiqamətdə, təxminən 0.6 qazanaraqvvə ya planetin sürətinin təxminən 60% -i. Bu, qarşılaşma zamanı Günəş çərçivəsindəki kosmik gəminin sürətinin niyə artdığını açıq şəkildə göstərir - çünki kosmik gəminin hərəkət istiqaməti planetin istiqamətinə doğru dəyişməkdədir.

Bu, cazibə qüvvələri üçün ümumi bir qaydadır: qarşılaşmadan sonra kosmik gəmi qarşılaşmadan əvvəl olduğundan daha çox planetin istiqamətini göstərirsə, sürəti artacaq. Bəs kosmik gəmini sürətləndirmək üçün enerji haradan gəlir? Əslində bu planetin öz hərəkət enerjisindən qaynaqlanır. Günəş çərçivəsində, planetdən kosmik gəmiyə təcil və kinetik enerjinin ötürülməsi var. Planet öz orbitində çox az ləngiyir və kosmik gəmi sürətlənir. Newtonun üçüncü qanunu, "Hər bir işə qarşı bərabər və əks bir reaksiya var" deyir və bu vəziyyətdə bu doğrudur. Planet kosmik gəmidən daha çox kütləvi olduğundan, köçürülmə planetə ölçülə bilən dərəcədə təsir etmir, amma kosmik gəmiyə bu böyük bir şeydir. Məsələn, 1979-cu ildə Voyager-in Yupiterlə qarşılaşması zamanı Yupiterin saniyədə -24-cü kilometr gücündə təxminən 10 ilə yavaşladığını, ölçmək üçün çox kiçik bir dəyişiklik olduğunu hesablaya bilərik. Ancaq hər bir Voyager təxminən 10 km / s qazandı, onları çox sayda və Saturna sürətli bir yola salmaq üçün kifayət etdi (və Voyager 2 vəziyyətində, Uran və Neptuna da) və günəş sistemindən nəhayət xilas oldu.

Şəkil 2: Cazibənin mümkün nəticələri manevrlərə kömək edir Şəkil: David Shortt

Planetin və kosmik gəminin nisbi hərəkət istiqamətindən asılı olaraq, bir cazibə köməkçisi ya sürətlənə, yavaşlaya bilər və ya sadəcə kosmik gəminin istiqamətini dəyişdirə bilər. Şəkil 2 bir imkanlar qalereyasını göstərir. Orta panel (e) planetin çərçivəsindəki mənzərəni, digər panellərdə isə planetin hərəkəti üçün 8 fərqli istiqamət olan günəş çərçivəsini göstərir. (A), (b) və (d) panellərindəki traektoriyalar kosmik gəmini ləngidir, panellərdə (f), (h) və (i) olanlar sürətləndirir, panellərdə (c) və (g) dəyişir. istiqamət ancaq sürət deyil. Panel (f), Şəkil 1-də nəzərdən keçirdiyimiz eyni nümunədir. Hər panelin Newton qanunlarının düzgün həllini təsvir etdiyini vurğulamağa dəyər, buna görə ehtiyac duyulduğunda bunların hər hansı birini bir missiya dizayneri təşkil edə bilər.

Həqiqi bir missiyaya baxmadan əvvəl indiyə qədər bildiklərimizi təkrarlayaq. Planet çərçivəsində, hərəkət trayektoriyası qarşılaşmadan əvvəl və sonra eyni sürətlə, lakin bir az bucaqdan sapmış yolla hiperbolikdir. Günəş çərçivəsində bu, qarşılaşma həndəsəsindən asılı olaraq istiqamətini dəyişdirməklə yanaşı, kosmik aparatı sürətləndirə və ya ləngidə bilən traektoriyalarla nəticələnir. Ümumi enerji qorunur və planet, əhəmiyyətsiz, lakin həqiqi bir sürəti itirir (ya da qazanır), kosmik gəminin sürəti və istiqaməti böyük bir miqdarda dəyişə bilər.

Sonra praktik bir nümunəni nəzərdən keçirək. Voyager 2, Jupiter, Saturn, Uranus və Neptune kimi dörd xarici planetin hamısını ziyarət etmək üçün cazibə qüvvəsindən istifadə etdiyi üçün yaxşı bir seçimdir. (Voyager 1 Saturna bənzər bir trayektoriyanı izlədi, lakin sonra günəş sisteminin müstəvisini tərk etməli və daha çox planetdən imtina etməli oldu, çünki missiya planlaşdırıcıları Saturnun böyük və füsunkar ayı Titan-a yaxın bir yaxınlaşma daxil etmək üçün görüşü təşkil etdilər. Voyager 2 bir Titan qarşılaşması var və Uran və Neptunu ziyarət etməyə getdi.)

Şəkil 3: Voyager 2-nin 1977-ci ildə Yerdən atılmasından 12 il sonra Neptunla qarşılaşması yolu Şəkil: David Shortt

Şəkil 3, Voyager 2-nin 1977-ci ildə Yerdən atılmasından 12 il sonra Neptunla qarşılaşması yolu ilə bir yol təsvir edir. Sadəlik üçün süjet Merkuri, Venera və Marsın orbitlərini buraxır. Baltalar astronomik vahidlər və ya AU ilə mərkəzdə günəş olmaqla etiketlənir (1 AU Yerlə günəş arasındakı orta məsafəsidir). Voyager 2-nin Yupiter və Saturn-da etdiyi xüsusilə kəskin "sol döngələrə" diqqət yetirin. Voyager 2-nin yolu, bütöv bir şəkildə baxıldığı təqdirdə, Yerdən Neptuna qədər kifayət qədər hamar bir spiraldır. Bu təsadüfi deyil. Xarici planetlər təxminən 175 ildən bir belə bir şəkildə düzülür və kosmik gəmini növbəti hədəfə yönəltmək üçün cazibə yardımlarından istifadə etmək fikri təkrarlanır.

Şəkil 4: Voyager 2-nin Yupiterlə qarşılaşması Şəkil: David Shortt

Şəkil 5: Voyager 2 ilə Saturnla qarşılaşma Şəkil: David Shortt

Şəkil 6: Voyager 2 ilə Uranın qarşılaşması Şəkil: David Shortt

Şəkil 7: Voyager 2 ilə Neptun qarşılaşması Şəkil: David Shortt

Rəqəmlər 4-7, həm Günəş çərçivəsindəki, həm də planet çərçivəsindəki dörd xarici planetdəki qarşılaşmaların yaxın animasiyalarını göstərir. Bütün rəqəmlər üçün kadr dərəcəsi gündə 1 kadrdır, traektoriyalar ən yaxınlaşma anından 20 gün əvvəl və sonra göstərilir və bütün rəqəmlər müqayisə üçün eyni məkan miqyasında, təxminən 0,6 eni ilə göstərilir. AU. Şəkil 4-də Yupiter qarşılaşması, Şəkil 2-dəki panelə (i) bənzəyir. Yupiter qarşılaşmasının Günəş çərçivəsindəki nə qədər qeyri-adi göründüyünü, kosmik gəminin ilk dəfə kütləvi Yupiterə doğru sürətləndiyi zaman trayektoriyasında "zərbə" yaşadığını görə bilərsiniz. , sonra arxasında çırpıldı. Saturnda, Şəkil 5-dəki qarşılaşma, Şəkil 2-dəki panelə (f) bənzəyir, qarşılaşmanın yüksək sürətinə diqqət yetirin - Voyager Yupiterdə qazandığı sürətə görə sürətlə irəliləyirdi və yaxınlaşma çox yaxın olmalı idi. Urana çatmaq üçün qışqıraraq sola dönməyi həyata keçirmək üçün. Şəkil 6-da göstərilən Urana təvazökar bir sol dönmə, müqayisə edildikdə köklü görünür. Nəhayət, Şəkil 7-də Neptunda, Voyager 2 həqiqətən bir az sağa döndü və bununla da bir az sürət itirdi. Səbəbi budur ki, missiya planlaşdırıcıları Neptunun iri ayı Tritonun yaxın bir uçuşunu təşkil etmək istədi və bu da əsasən Neptunun şimal qütbünün üstündən uçmağı və günəş sisteminin (dalğanın) təyyarəsindən aşağı enməklə yanaşı bir az sağa dönmə zərurətini yaratdı. aşağıdan görünmür, çünki yuxarıdan bir görünüşdür).

Şəkil 8: Voyager 2 kosmik gəminin sürəti günəşdən bir funksiya məsafəsi olaraq Şəkil: David Shortt


Fəaliyyət: Asteroid Jump

Asteroid Jump şagirdlərdən kosmosdakı kiçik asteroidlər arasında atlamağa çalışsalar nə olacağını soruşur. Şagirdlərin bu xəyali ssenarilərə cavab tapmaq üçün cazibə anlayışından istifadə etmələri lazım olacaq!

Bu əyləncəli düşüncə təcrübələri üçün ən yaxşı təxminlərimizi də verdik!

Tam ekrandan çıxın

Ay

Ay & rsquos cazibə qüvvəsi bizə o qədər təsir edir ki, günlərimizi uzadır. Alimlər təxminən 1,4 milyard il əvvəl Yer üzündə bir gündə cəmi 18 saat uzun olduğunu təxmin edirlər. Bunun səbəbi, o dövrdə ayın bizə nisbətən indiki dövrdən daha çox döndüyü. Önümüzdəki 100 ildə, ay daha da uzaqlaşacaq və bir & ldquoday & rdquo 1,5 milisaniyəyə uzanacaq.

Ən yaxın və sadiq qonşumuz, planetimizdə dalğalara səbəb olduğu üçün bizi tədricən tərk edir. Ay Yer üzünə o qədər yaxındır ki, səthinə baxan suyu özünə tərəf çəkir. Cazibə suyun qabardılmasına və gelgit dalğalarına səbəb olmasına səbəb olur. Əslində, Ay sadəcə üzü üzdəki suyu deyil, həm də Dünyanı çəkir dan ona diametral olaraq əks olan su. Yer & rsquos səthi çəkildikdə, su digər tərəfdən şişir.

Dolğun gelgit dalğaları, Yerin & rsquos fırlanmasına mane olan sürtünməyə gətirib çıxarır və sonsuzca da yavaşlamağa məcbur edir. Fenomen, kimsə səndən qaçarkən köynəyini çəkməyə bənzəyir. Bir milyard il ərzində məcmu təsir, lakin sonsuz deyil. Altı saatlıq artım heyrətləndiricidir. Sürətli bir hesablama sizə 1.4 milyard il əvvəl birinin 23 gündə bir ödəniləcəyini söyləyəcək. Ay, stəkanı yarı dolu və ya yarı boş görməyinizə görə, bizə 7 günlük iş və hellipor yuxusuna başa gəldi.

Ay günlərimizi belə uzadıb, ancaq yavaşlama qarşılıqlıdır. Çıxıntı ayın Yerə etdiyini aya edir. Eyni zamanda, qabarıqlıq ayı dartır və bununla yavaşlayır və orbitindən xaricə çıxmasına səbəb olur. Təxmini hesablamalara görə, hər il ay bizdən təxminən 4 santimetr uzaqlaşır, dırnaqlarımız böyüdükcə eyni dərəcədə.

Ay bizim ən yaxın qonşumuzdur. (Şəkil krediti: NASA)

Bəs planetlər? Ən yaxın planet qonşumuz olan Mars da dalğalara səbəb olurmu? Yer kürəsi də bütün digər planetləri özündən uzaqlaşdırır?


Bir planetin cazibəsi digər planetlərin sürətini necə təsir edir? - Astronomiya

İndi Newtonun hərəkət və cazibə qanunlarını daha astronomik mövzulara tətbiq edəcəyəm: digər obyektlərin ətrafında hərəkət edən obyektlər. Yalnız hərəkətlərini müşahidə etməkdən səma cisimləri haqqında hansı şeyləri öyrənə bilərsiniz?

Mərkəzşünaslıq Gücü

Başınızın ətrafındakı ipə yapışdırılmış bir topu fırladırsınızsa, ətrafınızdakı dairəvi bir yolla hərəkət edir, çünki simli həmişə topu birbaşa ipi tutan ələ tərəf çəkir. Top düz bir xəttdə hərəkət etmək istəyir və ip onu birbaşa içəri çəkir. Nəticədə sapma bir uzlaşmadır: dairəvi bir yol. Simli a tətbiq olunur mərkəzləşmiş qüvvə topa: daxili bir qüvvə. Simi buraxsanız, mərkəzdən çıxma qüvvəsi yoxdur və top a-da uçacaq düz xətt ətalətinə görə. Topu kifayət qədər sürətlə fırladınızsa, ətrafınızdakı daha kiçik dairəvi olmayan bir yola doğru irəliləyəcək. Topu çox sürətlə fırladırsınızsa, ətrafınızdakı dairəvi bir yolda tutacaq qədər mərkəzdənqaçma qüvvəsi verə bilməyəcəksiniz. Bir cisim ətalətini tarazlaşdırmaq və dairəvi bir radius yolunda saxlamaq üçün lazım olan mərkəzdən çıxma qüvvəsinin miqdarı r Newtonun ikinci qanununa əsasən tapılmışdır: mərkəzdənqaçma qüvvəsi = m v 2 / r, harada vm müvafiq olaraq cismin sürəti və kütləsidir. Orbitin radiusu r hərəkət edən obyektlə mərkəzi bədən arasındakı məsafə ilə eynidir.

Planet və Ulduz kütlələrinin ölçülməsi

Bunu necə edirsən?

Bu əlaqə sizə bir planetin və ya ulduzun kütləsini ölçmək üçün bilməli olduğunuz şeyi izah edir: peykin orbital sürəti və planetin və ya ulduzun mərkəzindən olan məsafəsi. Sürət kəsrinin üstündə olduğu üçün, mərkəzi obyektin kütləsi daha çox olarsa, peyklər daha sürətli hərəkət edir. Eyni məsafədə, kütləvi bir planet aşağı kütləli bir planetdən daha çox cazibə qüvvəsi göstərəcəkdir, buna görə kütləvi planet, onun ətrafında fırlanan peyklərdə daha çox daxili sürətləndirmə meydana gətirəcəkdir. Bu səbəbdən peyklər daha sürətli sürətlə orbitə çıxacaq.

Orbital sürət

Orbit sürətini həll etsəniz, v, kütlə düsturunda cazibə qüvvəsinin daxili çəkilməsini tarazlaşdırmaq üçün bir şeyin nə qədər sürətlə hərəkət etməsi lazım olduğunu tapa bilərsiniz: v 2 = (G M) / r . Hər iki tərəfin kvadrat kökünü götürmək (yalnız istəyirsən v yox v 2 ) əldə edirsən v = Sqrt[(G M) / r].

Bunu necə edirsən?

Diqqət yetirin ki, orbital sürət v (dolayısıyla orbital dövr P) peykin kütləsindən asılı deyil! Kütlə M yuxarıdakı formulda mərkəzi obyektin kütləsi. Yuxarıdakı & quotNecə bunu edirsiniz? & Quot qutusundakı Günəş-Yupiter-Trojan asteroid nümunəsini nəzərə alsaq (və Qravitasiya Sürətləndirmə hissəsindəki müzakirəni xatırlayın), Günəş-Yupiterin cazibə qüvvəsi Günəş-Trojan asteroid cazibəsindən ÇOX böyükdür. güc, lakin Yupiterin çox böyük ətaləti var (dəyişməyə qarşı müqavimət = kütlə). Günəş ilə Yupiter arasındakı daha böyük cazibə qüvvəsi Yupiterin daha böyük ətaləti ilə kompensasiya olunur, belə ki sürətləndirmə Yupiterinki ilə eyni olacaq sürətləndirmə Trojan asteroidinin --- Jupiter və Trojan asteroidin eyni orbital sürəti və eyni orbital dövrü olacaqdır.

Sürətdən qaçın

Newtonun hərəkət qanunları və cazibə qanunu istifadə edərək qaçma sürətini tapa bilərsiniz vEsc orbital sürətə çox oxşayır: vEsc = Sqrt[(2 G M) / r]. Bu bir amildir Sqrt[2] dairəvi orbital sürətdən daha böyükdür. Kütlədən bəri M kəsirin üstündədir, kütlə artdıqca qaçış sürəti artır. Daha kütləvi cisimlər daha çox cazibə qüvvəsi göstərirlər, buna görə də qaçan cisimlər daha böyük cazibəni aşmaq üçün daha sürətli hərəkət etməlidirlər. Həm də obyektin mərkəzindən olan məsafə r kəsirin altındadır, buna görə qaçış sürəti məsafənin artması ilə azalır. Cazibə qüvvəsi daha çox məsafədə azalır, buna görə kütləvi bir cisimdən uzaqdakı cisimlərdən qaçmaq üçün ona yaxın olanlardan daha sürətli hərəkət etmək lazım deyil.


NEID adını verin

& LdquoNEID & rdquo qısaltması, dil bükən bir ad üçün dəstəkdir: Doppler spektroskopiyası ilə NN-EXPLORE Exoplanet Araşdırmaları. Başqa bir bükülmə üçün NN bir & ldquonested & rdquo qısaltması, NASA-NSF Exoplanet Gözlem Araşdırması ortağı olan NN-EXPLORE'dan gəlir. Kosmik agentlik və Milli Elm Fondu, başqa sözlə, digər ulduzların ətrafında planetlər tapmaq üçün yerüstü astronomiyanın gücündən istifadə etmək üçün birləşir. NEID & rsquos tələffüzü, NOO-id, Tohono O & rsquoodham dilindən yerli bir Amerika sözünə səbəb olur. Kitt Peak, bu sözün Cənubi Arizona'daki ərazilərinin bir parçasıdır və "ldquoto see & rdquo" ya da "ldquoto know" kimi tərcümə olunur. & Rdquo NEID, Wisconsin-Madison Universitetini (W ), İndiana Universiteti (I), Yale Universiteti (Y) və Milli Optik Astronomiya Rəsədxanaları (N). Sonuncu qrup bu yaxınlarda İkizlər Rəsədxanası və Böyük Sinoptik Tədqiqat Teleskopu ilə birləşərək yeni bir təşkilat - Milli Optik-İnfraqırmızı Astronomiya Tədqiqat Laboratoriyası yaratdı.


Mündəricat

Qədim dünya

Qədim Yunan filosofu Arximed üçbucağın ağırlıq mərkəzini kəşf etdi. [6] O, eyni zamanda, iki bərabər çəkinin eyni ağırlıq mərkəzinə sahib olmasaydı, iki ağırlığın birlikdə ağırlıq mərkəzinin onların ağırlıq mərkəzlərini birləşdirən xəttin ortasında olacağını irəli sürdü. [7]

Romalı memar və mühəndis Vitruvius De Architectura bir cisimin cazibəsinin ağırlıqdan deyil, "təbiətindən" asılı olduğunu düşündü. [8]

Elmi inqilab

Qravitasiya nəzəriyyəsi üzrə müasir işlər Galileo Galilei'nin 16-cı illərin sonu və 17-ci əsrin əvvəllərindəki işləri ilə başladı. Məşhur (ehtimal ki apokrifik [9]) təcrübəsində topları Pisa Qülləsindən atma və daha sonra meyllərin aşağı yuvarlanaraq topların diqqətlə ölçülməsi ilə Galileo cazibə sürətinin bütün cisimlər üçün eyni olduğunu göstərdi. Bu, Aristotelin daha ağır cisimlərin daha yüksək cazibə sürətinə sahib olduğuna inamından böyük bir ayrılma idi. [10] Galileo, hava sıxlığını az sıxlığa və yüksək səthə sahib olan cisimlərin atmosferdə daha yavaş düşməsinin səbəbi olaraq postulyasiya etdi. Galileyin işləri Newtonun cazibə nəzəriyyəsinin formalaşmasına zəmin yaratdı. [11]

Newtonun cazibə nəzəriyyəsi

1687-ci ildə ingilis riyaziyyatçısı Sir Isaac Newton nəşr etdi Prinsipiya, ümumdünya cazibə qüvvəsinin tərs kvadrat qanununu fərziyyə edən. Öz sözləri ilə desək, "Planetləri öz orblarında saxlayan qüvvələrin qarşılıqlı olaraq fırlandıqları mərkəzlərdən uzaqlıqlarının kvadratları kimi olması lazım olduğunu düşündüm: və bununla da Ayı öz Orbında saxlamaq üçün lazım olan gücü müqayisə etdim. Yerin səthindəki cazibə qüvvəsi ilə bunların təxminən cavabını tapdım. " [12] Tənlik aşağıdakılardır:

Harada F gücdür, m1m2 qarşılıqlı obyektlərin kütlələridir, r kütlələrin mərkəzləri ilə məsafəsidir G cazibə sabitidir.

Newton nəzəriyyəsi, Uranın digər planetlərin hərəkətləri ilə hesablana bilməyən hərəkətləri əsasında Neptunun varlığını proqnozlaşdırmaq üçün istifadə edildiyi zaman ən böyük müvəffəqiyyətini qazandı. Həm John Couch Adams, həm də Urbain Le Verrier tərəfindən aparılan hesablamalar planetin ümumi vəziyyətini proqnozlaşdırırdı və Le Verrierin hesablamaları Johann Gottfried Galle-ni Neptunun kəşfinə aparan şeydir.

Merkuri orbitindəki uyğunsuzluq Newton nəzəriyyəsindəki qüsurlara işarə etdi. 19-cu əsrin sonlarında orbitinin tamamilə Nyuton nəzəriyyəsi ilə izah edilə bilməyəcək qədər kiçik bir narahatlıq göstərdiyi məlum idi, ancaq başqa bir narahat edən cisim (məsələn, Günəşi Merkuridən daha da yaxın bir dövrə vuran bir planet) axtardı. bəhrəsiz. Məsələ 1915-ci ildə Albert Einşteynin Merkuri orbitindəki kiçik uyğunsuzluğu hesab edən yeni ümumi nisbilik nəzəriyyəsi ilə həll edildi. Bu uyğunsuzluq Merkür civarındakı perihelionda bir əsrdə 42.98 arcseconds irəliləyiş idi. [13]

Newton nəzəriyyəsini Albert Einşteynin ümumi nisbi nisbəti əvəz etsə də, ən müasir nisbi olmayan cazibə hesablamaları hələ də Nyutonun nəzəriyyəsi ilə işlənir, çünki işləmək daha sadədir və kifayət qədər kiçik kütlələr, sürətlər və enerjiləri əhatə edən əksər tətbiqetmələr üçün kifayət qədər dəqiq nəticələr verir.

Ekvivalentlik prinsipi

Galileo, Lorand Eötvös və Einstein da daxil olmaqla bir-birinin ardınca tədqiqatçılar tərəfindən araşdırılan ekvivalentlik prinsipi, bütün cisimlərin eyni şəkildə düşdüyünü və cazibə qüvvəsinin təsirlərinin sürətlənmə və yavaşlamanın müəyyən cəhətləri ilə fərqlənmədiyi fikrini ifadə edir. Zəif ekvivalentlik prinsipini yoxlamanın ən sadə yolu, müxtəlif kütlələrə və ya kompozisiyalara malik iki cismi vakuumda atmaq və eyni zamanda yerə dəyib-düşməməsinə baxmaqdır. Bu cür təcrübələr, digər qüvvələrin (hava müqaviməti və elektromaqnit effektləri kimi) əhəmiyyətsiz olduğu zaman bütün cisimlərin eyni nisbətdə düşdüyünü göstərir. Daha mürəkkəb testlərdə Eötvös tərəfindən icad edilən bir növün burulma tarazlığı istifadə olunur. Peyk təcrübələri, məsələn STEP, kosmosda daha dəqiq təcrübələr üçün planlaşdırılır. [14]

Ekvivalentlik prinsipinin formulalarına aşağıdakılar daxildir:

  • Zəif ekvivalentlik prinsipi: Bir cazibə sahəsindəki bir nöqtə kütləsinin trayektoriyası yalnız başlanğıc mövqeyindən və sürətindən asılıdır və tərkibindən asılı deyil.[15]
  • Einsteinian bərabərlik prinsipi: Sərbəst şəkildə düşən bir laboratoriyada hər hansı bir yerli qeyri-cazibə təcrübəsinin nəticəsi, laboratoriyanın sürətindən və yerdəki yerdən asılı deyil.[16]
  • Yuxarıda göstərilənlərin hər ikisini tələb edən güclü ekvivalentlik prinsipi.

Ümumi nisbi

Ümumilikdə nisbi olaraq cazibə qüvvəsinin təsirləri qüvvə əvəzinə boşluq əyriliyinə aid edilir. Ümumi nisbilik üçün başlanğıc nöqtəsi sərbəst düşməni ətalət hərəkəti ilə eyniləşdirən və sərbəst düşən ətalət cisimlərini yerdəki ətalətsiz müşahidəçilərə nisbətən sürətlənmiş kimi təsvir edən ekvivalentlik prinsipidir. [17] [18] Nyuton fizikasında, cisimlərdən heç olmasa bir qüvvə tərəfindən işlənməyincə belə bir sürətlənmə baş verə bilməz.

Einstein, kosmos vaxtının maddə ilə əyri olduğunu və sərbəst düşən cisimlərin əyri fəzada yerli düz yollarla hərəkət etdiyini irəli sürdü. Bu düz yollara geodeziya deyilir. Newtonun ilk hərəkət qanunu kimi, Einşteyn nəzəriyyəsi bir cismə bir qüvvə tətbiq olunarsa, bir geodeziyadan kənarlaşacağını söyləyir. Məsələn, Yerin mexaniki müqaviməti bizə yuxarı bir qüvvə verdiyindən və nəticədə yerdə qeyri-ətalətli olduğumuza görə artıq geodeziyaya əməl etmirik. Bu, kosmik vaxtda geodeziya boyunca hərəkətin ətalətli sayılmasının səbəbini izah edir.

Einşteyn, maddənin varlığı və fəza zamanının əyriliyi ilə əlaqəli olan və onun adını daşıyan ümumi nisbilik sahə tənliklərini kəşf etdi. Eynşteyn sahə tənlikləri, eyni vaxtda, xətti olmayan, diferensial 10 tənlikdən ibarətdir. Sahə tənliklərinin həlləri fəza vaxtının metrik tensorunun tərkib hissələridir. Metrik tensor, fəza vaxtının həndəsəsini təsvir edir. Bir müddət üçün geodeziya yolları metrik tensordan hesablanır.

Həllər

Einstein sahə tənliklərinin diqqətəlayiq həllərinə aşağıdakılar daxildir:

  • Schwarzschild həlli, sferik simmetrik, dönməyən, yüklənməmiş kütləli bir obyektin ətrafındakı boşluğu təsvir edir. Kifayət qədər kompakt obyektlər üçün bu həll mərkəzi təkliklə qara bir dəlik meydana gətirdi. Mərkəzdən Schwarzschild radiusundan xeyli böyük olan radial məsafələr üçün Schwarzschild həllinin proqnozlaşdırdığı sürətlər praktiki olaraq Newtonun cazibə nəzəriyyəsinin proqnozlaşdırdığı ilə eynidır.
  • Mərkəzi obyektin elektrik yükünə sahib olduğu Reissner-Nordström həlli. Həndəsə edilmiş uzunluğu cismin kütləsinin həndəsələnmiş uzunluğundan az olan yüklər üçün bu həll cüt üfüqdə qara dəliklər meydana gətirir.
  • Kütləvi cisimlərin fırlanması üçün Kerr həlli. This solution also produces black holes with multiple event horizons.
  • The Kerr-Newman solution for charged, rotating massive objects. This solution also produces black holes with multiple event horizons.
  • The cosmologicalFriedmann-Lemaître-Robertson-Walker solution, which predicts the expansion of the Universe.

Tests

  • General relativity accounts for the anomalous perihelion precession of Mercury. [20]
  • The prediction that time runs slower at lower potentials (gravitational time dilation) has been confirmed by the Pound–Rebka experiment (1959), the Hafele–Keating experiment, and the GPS.
  • The prediction of the deflection of light was first confirmed by Arthur Stanley Eddington from his observations during the Solar eclipse of 29 May 1919. [21][22] Eddington measured starlight deflections twice those predicted by Newtonian corpuscular theory, in accordance with the predictions of general relativity. However, his interpretation of the results was later disputed. [23] More recent tests using radio interferometric measurements of quasars passing behind the Sun have more accurately and consistently confirmed the deflection of light to the degree predicted by general relativity. [24] See also gravitational lens.
  • The time delay of light passing close to a massive object was first identified by Irwin I. Shapiro in 1964 in interplanetary spacecraft signals. has been indirectly confirmed through studies of binary pulsars. On 11 February 2016, the LIGO and Virgo collaborations announced the first observation of a gravitational wave. in 1922 found that Einstein equations have non-stationary solutions (even in the presence of the cosmological constant). In 1927 Georges Lemaître showed that static solutions of the Einstein equations, which are possible in the presence of the cosmological constant, are unstable, and therefore the static Universe envisioned by Einstein could not exist. Later, in 1931, Einstein himself agreed with the results of Friedmann and Lemaître. Thus general relativity predicted that the Universe had to be non-static—it had to either expand or contract. The expansion of the Universe discovered by Edwin Hubble in 1929 confirmed this prediction. [25]
  • The theory's prediction of frame dragging was consistent with the recent Gravity Probe B results. [26]
  • General relativity predicts that light should lose its energy when traveling away from massive bodies through gravitational redshift. This was verified on earth and in the solar system around 1960.

Gravity and quantum mechanics

An open question is whether it is possible to describe the small-scale interactions of gravity with the same framework as quantum mechanics. General relativity describes large-scale bulk properties whereas quantum mechanics is the framework to describe the smallest scale interactions of matter. Without modifications these frameworks are incompatible. [27]

One path is to describe gravity in the framework of quantum field theory, which has been successful to accurately describe the other fundamental interactions. The electromagnetic force arises from an exchange of virtual photons, where the QFT description of gravity is that there is an exchange of virtual gravitons. [28] [29] This description reproduces general relativity in the classical limit. However, this approach fails at short distances of the order of the Planck length, [27] where a more complete theory of quantum gravity (or a new approach to quantum mechanics) is required.

Earth's gravity

Every planetary body (including the Earth) is surrounded by its own gravitational field, which can be conceptualized with Newtonian physics as exerting an attractive force on all objects. Assuming a spherically symmetrical planet, the strength of this field at any given point above the surface is proportional to the planetary body's mass and inversely proportional to the square of the distance from the center of the body.

The strength of the gravitational field is numerically equal to the acceleration of objects under its influence. [30] The rate of acceleration of falling objects near the Earth's surface varies very slightly depending on latitude, surface features such as mountains and ridges, and perhaps unusually high or low sub-surface densities. [31] For purposes of weights and measures, a standard gravity value is defined by the International Bureau of Weights and Measures, under the International System of Units (SI).

That value, denoted g, is g = 9.80665 m/s 2 (32.1740 ft/s 2 ). [32] [33]

The standard value of 9.80665 m/s 2 is the one originally adopted by the International Committee on Weights and Measures in 1901 for 45° latitude, even though it has been shown to be too high by about five parts in ten thousand. [34] This value has persisted in meteorology and in some standard atmospheres as the value for 45° latitude even though it applies more precisely to latitude of 45°32'33". [35]

Assuming the standardized value for g and ignoring air resistance, this means that an object falling freely near the Earth's surface increases its velocity by 9.80665 m/s (32.1740 ft/s or 22 mph) for each second of its descent. Thus, an object starting from rest will attain a velocity of 9.80665 m/s (32.1740 ft/s) after one second, approximately 19.62 m/s (64.4 ft/s) after two seconds, and so on, adding 9.80665 m/s (32.1740 ft/s) to each resulting velocity. Also, again ignoring air resistance, any and all objects, when dropped from the same height, will hit the ground at the same time.

According to Newton's 3rd Law, the Earth itself experiences a force equal in magnitude and opposite in direction to that which it exerts on a falling object. This means that the Earth also accelerates towards the object until they collide. Because the mass of the Earth is huge, however, the acceleration imparted to the Earth by this opposite force is negligible in comparison to the object's. If the object does not bounce after it has collided with the Earth, each of them then exerts a repulsive contact force on the other which effectively balances the attractive force of gravity and prevents further acceleration.

The force of gravity on Earth is the resultant (vector sum) of two forces: [36] (a) The gravitational attraction in accordance with Newton's universal law of gravitation, and (b) the centrifugal force, which results from the choice of an earthbound, rotating frame of reference. The force of gravity is weakest at the equator because of the centrifugal force caused by the Earth's rotation and because points on the equator are furthest from the center of the Earth. The force of gravity varies with latitude and increases from about 9.780 m/s 2 at the Equator to about 9.832 m/s 2 at the poles.

Equations for a falling body near the surface of the Earth

Under the same constant gravity assumptions, the potential energy, Esəh, of a body at height h is given by Esəh = mgh (və ya Esəh = Wh, with W meaning weight). This expression is valid only over small distances h from the surface of the Earth. Similarly, the expression h = v 2 2 g ><2g>>> for the maximum height reached by a vertically projected body with initial velocity v is useful for small heights and small initial velocities only.

Gravity and astronomy

The application of Newton's law of gravity has enabled the acquisition of much of the detailed information we have about the planets in the Solar System, the mass of the Sun, and details of quasars even the existence of dark matter is inferred using Newton's law of gravity. Although we have not traveled to all the planets nor to the Sun, we know their masses. These masses are obtained by applying the laws of gravity to the measured characteristics of the orbit. In space an object maintains its orbit because of the force of gravity acting upon it. Planets orbit stars, stars orbit galactic centers, galaxies orbit a center of mass in clusters, and clusters orbit in superclusters. The force of gravity exerted on one object by another is directly proportional to the product of those objects' masses and inversely proportional to the square of the distance between them.

The earliest gravity (possibly in the form of quantum gravity, supergravity or a gravitational singularity), along with ordinary space and time, developed during the Planck epoch (up to 10 −43 seconds after the birth of the Universe), possibly from a primeval state (such as a false vacuum, quantum vacuum or virtual particle), in a currently unknown manner. [5]

Gravitational radiation

General relativity predicts that energy can be transported out of a system through gravitational radiation. Any accelerating matter can create curvatures in the space-time metric, which is how the gravitational radiation is transported away from the system. Co-orbiting objects can generate curvatures in space-time such as the Earth-Sun system, pairs of neutron stars, and pairs of black holes. Another astrophysical system predicted to lose energy in the form of gravitational radiation are exploding supernovae.

The first indirect evidence for gravitational radiation was through measurements of the Hulse–Taylor binary in 1973. This system consists of a pulsar and neutron star in orbit around one another. Its orbital period has decreased since its initial discovery due to a loss of energy, which is consistent for the amount of energy loss due to gravitational radiation. This research was awarded the Nobel Prize in Physics in 1993.

The first direct evidence for gravitational radiation was measured on 14 September 2015 by the LIGO detectors. The gravitational waves emitted during the collision of two black holes 1.3 billion-light years from Earth were measured. [38] [39] This observation confirms the theoretical predictions of Einstein and others that such waves exist. It also opens the way for practical observation and understanding of the nature of gravity and events in the Universe including the Big Bang. [40] Neutron star and black hole formation also create detectable amounts of gravitational radiation. [41] This research was awarded the Nobel Prize in physics in 2017. [42]

As of 2020 [update] , the gravitational radiation emitted by the Solar System is far too small to measure with current technology.

Speed of gravity

In December 2012, a research team in China announced that it had produced measurements of the phase lag of Earth tides during full and new moons which seem to prove that the speed of gravity is equal to the speed of light. [43] This means that if the Sun suddenly disappeared, the Earth would keep orbiting the vacant point normally for 8 minutes, which is the time light takes to travel that distance. The team's findings were released in the Chinese Science Bulletin in February 2013. [44]

In October 2017, the LIGO and Virgo detectors received gravitational wave signals within 2 seconds of gamma ray satellites and optical telescopes seeing signals from the same direction. This confirmed that the speed of gravitational waves was the same as the speed of light. [45]

Daha yaxşı cazibə nəzəriyyələrinə ehtiyac ola biləcəyini və ya başqa yollarla izah oluna bilən kifayət qədər hesablanmayan bəzi müşahidələr var.


Why Does Gravity Move At The Speed Of Light?

Image credit: European Gravitational Observatory, Lionel BRET/EUROLIOS.

If you looked out at the Sun across the 93 million miles of space that separate our world from our nearest star, the light you're seeing isn't from the Sun as it is right now, but rather as it was some 8 minutes and 20 seconds ago. This is because as fast as light is -- moving at the speed of light -- it isn't instantaneous: at 299,792.458 kilometers per second (186,282 miles per second), it requires that length of time to travel from the Sun's photosphere to our planet. But gravitation doesn't necessarily need to be the same way it's possible, as Newton's theory predicted, that the gravitational force would be an ani phenomenon, felt by all objects with mass in the Universe across the vast cosmic distances all at once.

Image credit: NASA/JPL-Caltech, for the Cassini mission.

But is that right? If the Sun were to simply wink out of existence, would the Earth immediately fly off in a straight line, or would it continue orbiting the Sun's location for another 8 minutes and 20 seconds? If you ask General Relativity, the answer is much closer to the latter, because it isn't mass that determines gravitation, but rather the curvature of space, which is determined by the sum of all the matter and energy in it. If you were to take the Sun away, space would go from being curved to being flat, but that transformation isn't instantaneous. Because spacetime is a fabric, that transition would have to occur in some sort of "snapping" motion, which would send very large ripples -- i.e., gravitational waves -- through the Universe, propagating outward like ripples in a pond.

Image credit: Sergiu Bacioiu from Romania, under c.c.-2.0 generic.

The speed of those ripples is determined the same way the speed of anything is determined in relativity: by their energy and their mass. Since gravitational waves are massless yet have a finite energy, they olmalıdır move at the speed of light! Which means, if you think about it, that the Earth isn't directly attracted to the Sun's location in space, but rather to where the Sun was located a little over 8 minutes ago.

Image credit: David Champion, Max Planck Institute for Radio Astronomy.

If that were the only difference between Einstein's theory of gravity and Newton's, we would have been able to instantly conclude that Einstein's theory was wrong. The orbits of the planets were so well studied and so precisely recorded for so long (since the late 1500s!) that if gravity simply attracted the planets to the Sun's prior location at the speed of light, the planets' predicted locations would mismatch severely with where they actually were. It's a stroke of brilliance to realize that Newton's laws require an instantaneous speed of gravity to such precision that if that were the only constraint, the speed of gravity must have been more than 20 billion times faster than the speed of light!

But in General Relativity, there's another piece to the puzzle that matters a great deal: the orbiting planet's velocity as it moves around the Sun. The Earth, for example, since it’s also moving, kind of “rides” over the ripples traveling through space, coming down in a different spot from where it was lifted up. It looks like we have two effects going on: each object’s sürət affects how it experiences gravity, and so do the dəyişikliklər that occur in gravitational fields.

Şəkil krediti: LIGO / T. Pyle, of a model of distorted space in the Solar System.

What’s amazing is that the changes in the gravitational field felt by a finite speed of gravity and the effects of velocity-dependent interactions cancel almost exactly! The inexactness of the cancellation is what allows us to determine, observationally, if Newton’s “infinite speed of gravity” model or Einstein’s “speed of gravity = speed of light” model matches with our Universe. In theory, we know that the speed of gravity should be the same as the speed of light. But the Sun’s force of gravity out here, by us, is uzaq too weak to measure this effect. In fact, it gets really hard to measure, because if something moves at a constant velocity in a constant gravitational field, there’s no observable affect at all. What we’d want, ideally, is a system that has a massive object moving with a changing velocity through a changing gravitational field. In other words, we want a system that consists of a close pair of orbiting, observable stellar remnants, at least one of which is a neutron star.

As one or both of these neutron stars orbit, they pulse, and the pulses are visible to us here on Earth each time the pole of a neutron star passes through our line-of-sight. The predictions from Einstein’s theory of gravity are incredibly sensitive to the speed of light, so much so that even from the very first binary pulsar system discovered in the 1980s, PSR 1913+16 (or the Hulse-Taylor binary ), we have constrained the speed of gravity to be equal to the speed of light with a measurement error of only 0.2% !

Image credit: NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer, via . [+] http://www.mpg.de/7644757/W002_Physics-Astronomy_048-055.pdf.

That's an indirect measurement, of course. We were able to do another type of in direct measurement in 2002 , when a chance coincidence lined up the Earth, Jupiter, and a very strong radio quasar ( QSO J0842+1835 ) all along the same line-of-sight! As Jupiter moved between Earth and the quasar, the gravitational bending of Jupiter allowed us to measure the speed of gravity, ruling out an infinite speed and determining that the speed of gravity was between 2.55 × 10^8 and 3.81 × 10^8 meters-per-second, completely consistent with Einstein’s predictions.

The quasar QSO J0842+1835, whose path was gravitationally altered by Jupiter in 2002, allowing an . [+] indirect confirmation that the speed of gravity equals the speed of light. Image credit: Fomalont et al. (2000), ApJS 131, 95-183, via http://www.jive.nl/svlbi/vlbapls/J0842+1835.htm.

Ideally, we'd be able to measure the speed of these ripples directly, from the direct detection of a gravitational wave. LIGO just saw the first one, after all! Unfortunately, due to our inability to correctly triangulate the location from which these waves originated, we don't know from which direction the waves were coming. By calculating the distance between the two independent detectors (in Washington and Louisiana) and measuring the difference in the signal arrival time, we can determine that the speed of gravity is consistent with the speed of light, but can only place an absolute constraint that it's equal to the speed of light within 70%.

The gravitational wave arrival at the two detectors in WA and LA, with an uncertain origin to their . [+] direction. Image credit: Diego Blas, Mikhail M. Ivanov, Ignacy Sawicki, Sergey Sibiryakov, via https://arxiv.org/abs/1602.04188.

Still, it’s the indirect measurements from very rare pulsar systems that give us the tightest constraints. The best results, at the present time, tell us that the speed of gravity is between 2.993 × 10^8 and 3.003 × 10^8 meters per second, which is an heyrətləndirici confirmation of General Relativity and a terrible difficulty for alternative theories of gravity that yox reduce to General Relativity! (Sorry, Newton!) And now you know not only what the speed of gravity is, but where to look to figure it out!


Mündəricat

A gravity assist around a planet changes a spacecraft's velocity (relative to the Sun) by entering and leaving the gravitational sphere of influence of a planet. The spacecraft's speed increases as it approaches the planet and decreases while escaping its gravitational pull (which is approximately the same), but because the planet orbits the Sun the spacecraft is affected by this motion during the maneuver. To increase speed, the spacecraft flies with the movement of the planet, acquiring some of the planet's orbital energy in the process to decrease speed, the spacecraft flies against the movement of the planet to transfer some of its own orbital energy to the planet - in both types of maneuver the energy transfer compared to the planet's total orbital energy is negligible. The sum of the kinetic energies of both bodies remains constant (see elastic collision). A slingshot maneuver can therefore be used to change the spaceship's trajectory and speed relative to the Sun.

A close terrestrial analogy is provided by a tennis ball bouncing off the front of a moving train. Imagine standing on a train platform, and throwing a ball at 30 km/h toward a train approaching at 50 km/h. The driver of the train sees the ball approaching at 80 km/h and then departing at 80 km/h after the ball bounces elastically off the front of the train. Because of the train's motion, however, that departure is at 130 km/h relative to the train platform the ball has added twice the train's velocity to its own.

Translating this analogy into space: in the planet reference frame, the spaceship has a vertical velocity of v relative to the planet. After the slingshot occurs the spaceship is leaving on a course 90 degrees to that which it arrived on. It will still have a velocity of v, but in the horizontal direction. [2] In the Sun reference frame, the planet has a horizontal velocity of v, and by using the Pythagorean Theorem, the spaceship initially has a total velocity of √ 2 v. After the spaceship leaves the planet, it will have a velocity of v + v = 2v, gaining around 0.6v. [2]

This oversimplified example is impossible to refine without additional details regarding the orbit, but if the spaceship travels in a path which forms a hyperbola, it can leave the planet in the opposite direction without firing its engine. This example is also one of many trajectories and gains of speed the spaceship can have.

This explanation might seem to violate the conservation of energy and momentum, apparently adding velocity to the spacecraft out of nothing, but the spacecraft's effects on the planet must also be taken into consideration to provide a complete picture of the mechanics involved. The linear momentum gained by the spaceship is equal in magnitude to that lost by the planet, so the spacecraft gains velocity and the planet loses velocity. However, the planet's enormous mass compared to the spacecraft makes the resulting change in its speed negligibly small even when compared to the orbital perturbations planets undergo due to interactions with other celestial bodies on astronomically short timescales. For example, one metric ton is a typical mass for an interplanetary space probe whereas Jupiter has a mass of almost 2 x 10 24 metric tons. Therefore, a one-ton spacecraft passing Jupiter will theoretically cause the planet to lose approximately 5 x 10 −25 km/s of orbital velocity for every km/s of velocity relative to the Sun gained by the spacecraft. For all practical purposes, since the effects on the planet are so slight (because planets are so much more massive than spacecraft) they can be ignored in the calculation. [3]

Realistic portrayals of encounters in space require the consideration of three dimensions. The same principles apply, only adding the planet's velocity to that of the spacecraft requires vector addition, as shown below.


Videoya baxın: Planetlərin İnanılmaz Səsləri (Sentyabr 2021).