Yerçekimi ve yörüngeler

Yerçekimi nedir?

Yerçekimi, kütlesi olan her şey arasındaki çekimdir. Siz Dünya'yı çekersiniz, Dünya da sizi; yalnız Dünya'nın kütlesi çok daha büyük olduğu için hareket eden siz olursunuz. Aynı kuvvet yıldızlara biçim verir, gökadaları bir arada tutar ve uzay araçlarını yönlendirir.

Isaac Newton 1687'de bunu basit bir kuralla anlattı: İki cisim arasındaki çekim kütleleriyle artar, aralarındaki uzaklığın karesiyle azalır. Uzaklığı iki katına çıkarırsanız çekim dörtte birine düşer. Einstein'ın genel görelilik kuramı resmi daha da inceltti ve yerçekimini uzay ile zamanın bükülmesi olarak tanımladı; yine de görevlerin çoğu bugün Newton'un kuralıyla planlanır.

Sade dille Kepler'in üç yasası

Newton'dan onlarca yıl önce Johannes Kepler, Mars'ın titiz gözlemlerini inceledi ve gezegen hareketinde üç düzen buldu.

Birincisi, yörüngeler elipstir, yani hafifçe basık çemberlerdir; Güneş merkezde değil, odaklardan birindedir. Gezegen yörüngelerinin çoğu çok az basık olduğundan neredeyse yuvarlak görünür.

İkincisi, gezegen Güneş'e yakınken hızlanır, uzaklaşınca yavaşlar. Güneş'ten gezegene çekilen bir çizgi eşit sürelerde eşit alanlar tarar. Dünya en hızlı ocak başında, en yavaş temmuz başında ilerler.

Üçüncüsü, uzaktaki gezegenlerin turu çok daha uzun sürer. Yörünge süresinin karesi, ortalama uzaklığın küpüyle orantılıdır. Güneş'e Dünya'dan yaklaşık beş kat uzak olan Jüpiter bir turu 12 yıla yakın sürede atar. Newton sonradan üç yasanın da kendi yerçekimi yasasından çıktığını gösterdi.

Ay neden düşmüyor?

Bir bakıma düşüyor. Ay her an Dünya'ya doğru düşer. Ama aynı zamanda yana doğru saatte yaklaşık 3.680 km hızla ilerler. Düştükçe Dünya'nın eğri yüzeyi de altından kayıp gider; bu yüzden hiç yaklaşmaz. Yörünge, işte bu bitmeyen düşüp ıskalama hâlidir.

Newton, çok yüksek bir dağın tepesindeki bir top düşündü. Yavaş atılan gülle yakına düşer, daha hızlısı daha uzağa. Yeterince hızlı atarsanız yer, gülle düştüğü hızda kıvrılıp uzaklaşır ve gülle gezegenin çevresinde dolanır. Uluslararası Uzay İstasyonu bunu saatte yaklaşık 28.000 km hızla yapar. Astronotlar yerçekimi olmadığı için değil, istasyonla birlikte düştükleri için süzülür.

Kaçış hızı

Bir cismi daha hızlı fırlatırsanız yörüngesi büyür ve uzar. Kaçış hızı denen belli bir hızda ise bir daha geri dönmez. Hava direnci hesaba katılmazsa Dünya yüzeyi için bu değer yaklaşık 11,2 km/s, yani saatte 40.000 km'yi aşar.

Kaçış hızı gök cisminin kütlesine ve büyüklüğüne bağlıdır. Ay'da yalnızca yaklaşık 2,4 km/s, Jüpiter'de yaklaşık 59,5 km/s'dir. Roketlerin bu hıza tek hamlede ulaşması gerekmez, yavaş yavaş da tırmanabilirler; ama gereken toplam enerji değişmez.

Lagrange noktaları ve JWST

Güneş ile Dünya gibi iki büyük cisim birbirinin çevresinde dolanırken, küçük bir cismin ikisine göre konumunu koruyabildiği beş özel nokta vardır. Bunlara 18. yüzyıl matematikçisi Joseph-Louis Lagrange'ın adıyla Lagrange noktaları denir.

L2, Dünya'dan yaklaşık 1,5 milyon km uzakta, Güneş'in ters tarafındadır. Oraya konan bir cisim normalde Güneş'in çevresinde Dünya'dan yavaş dolanırdı; ama Dünya ile Güneş'in toplam çekimi onu tam bizimle aynı hızda tutacak kadar hızlandırır. James Webb Uzay Teleskobu L2 çevresinde geniş bir halka çizer. Oradan Güneş, Dünya ve Ay kabaca aynı yönde kalır; tek bir güneşlik üçünün de ısısını keserek teleskobu çok soğuk tutar.

Dünya ile Güneş arasındaki L1'de SOHO gibi Güneş gözlemevleri bulunur. L1, L2 ve L3 kararsızdır; buradaki araçlar yerinde kalmak için küçük itkiler yapar. L4 ve L5 kararlıdır ve Jüpiter'in bu noktalarında asteroitler toplanmıştır.

Yörüngeleri kendiniz izleyin

Yörünge hareketini çıplak gözle görebilirsiniz. Birkaç akşam boyunca Ay'ın yıldızlara göre konumunu izleyin; her saatte kabaca kendi çapı kadar doğuya kayar. Gün batımından sonraki ya da şafaktan önceki saatlerde gökyüzünü parlak ve kırpışmayan bir nokta olarak geçen ISS'i de arayabilirsiniz; NASA'nın Spot the Station hizmeti bulunduğunuz yer için geçişleri listeler.

Haftalar boyunca Jüpiter ya da Mars gibi parlak bir gezegenin arka plandaki yıldızlara göre kaymasını, ara sıra bir süre geri gider gibi görünmesini de izleyebilirsiniz. Bu görünür ilmek, içteki daha hızlı yörüngede ilerleyen Dünya'nın o gezegeni sollamasından kaynaklanır.