AstronomiEvrenFizikPopüler Bilim

Yörünge Nedir? Yörünge Türleri ve Basıklık

Hikayenin Öne Çıkanları
  • Yörünge Nasıl Oluşur?
  • Basıklık Nedir?
  • Yörünge Türleri
  • Kütle Merkezi
  • Çoklu Sistemlerde Yörüngeler
  • Kepler Yasaları

Yörünge, uzayda bir cismin başka bir cisim etrafında düzenli olarak izlediği yola denir. Yörüngeye oturmuş her türlü cisim ise uydu adını alır. Burada her türlüden kasıt cismin doğal bir nesne olabilmesinin yanında insan yapımı da olabileceğidir. Örneğin Uluslararası Uzay İstasyonu yapay olarak Dünya’nın yörüngesine yerleştirilmiş uydulardan biridir. Güneş sistemindeki gezegenlerden en çok uyduya sahip olan Satürn, ki kendisi de Güneş’in bir uydusudur, 82 uydusuyla doğal uydulara güzel bir örnektir [1, 2].

Yörünge Nasıl Oluşur?

Uzayda hareket halindeki bir nesne, kendisinden kütlece daha büyük (ya da kıyaslanabilir ölçüde) bir diğerinin yakınından geçerken onun kütle çekim kuvvetine maruz kalır. Aslında kütleler içlerinde yer aldıkları uzay-zamanı, kütleliyle orantılı olarak bükerler ve bu bükülmüş uzay-zamana giren her cisim, bu bükülmüş uzay-zamandan etkilenir. Bu noktada üç olası senaryo vardır ve bu en belirgin olarak cismin hızıyla belirlenir:

  1. Cisim, yaklaştığı diğer cismin üzerine düşebilir.
  2. Cisim, yaklaştığı cismin etrafında bir yörüngeye oturabilir.
  3. Cisim, yaklaştığı cismin çekiminden etkilenir, yolundan sapar fakat yörüngeye oturmadan ilerlemesine devam eder.
Birinci Senaryo

Elbette bunlar birçok parametreye bağlı olsa da basitçe birinci maddede iki temel durum söz konusudur. Ya cisim doğrudan diğer cismin üzerine gitmektedir ve çarpmaktan başka alternifi yoktur ya da hızı yetersiz olduğundan yolundan saparak bir eğri çizerek diğer cismin üzerine düşer.

İkinci Senaryo

Yaklaşan cismin hızına (aslında buna yörünge enerjisi deriz) bağlı olarak diğeri etrafında bir yörüngeye oturulabilir. Bu noktada şuna değinmek gerekir, bu iki cisimden illa ki biri diğerinin etrafında dolanmak zorunda değildir. Aslında biz de tam olarak Güneş’in etrafında dolanmıyoruz, ortak kütle merkezi etrafında dolanıyoruz. Lakin Güneş’in kütlesi diğer gezegenlere kıyasla çok büyük olduğundan, bu kütle merkezi her ne kadar Güneş’in merkezinde olmasa da hala içerisinde kalıyor. Lakin durum hep böyle olmak zorunda değildir.

Örneğin birbirine yakın kütleli iki cisim, birbirleri etrafında dolanabilirler ve bu da bir yörünge oluşturur. Ortak kütle merkezi etrafında adeta birbirlerini ellerinden tutup dönen buz patencileri gibi sorunsuzca dolanabilirler. Özellikle bu tür yıldızlara çift yıldızlar denir ve astronominin oldukça fazla çalışılmış konularından biridir.

Üçüncü Senaryo

Özellikle sisteme giren diğer cismin, çekimin etkisine göre çok daha fazla hıza sahip olması durumunda gerçekleşir. Onu yörüngede tutacak yeterli çekim yoktur, fakat yine de çekimden etkilendiği için yolundan bir miktar sapar. Bazı kuyruklu yıldızlarda bu durum görünür. Bazen gök cisimleri her ne kadar kapalı ve basık yörüngelerde dolansalar da fiziksel bir takım etkilerden ötürü (örneğin Güneş’e yaklaştığında kütle kaybetmek gibi) hızları değişebilir ve bu da bir anda açık bir eğriye sahip olup, sistemi terk etmelerine neden olabilir.

Basıklık Nedir?

Basıklık, konik şekillerin (çember, elips, parabol ve hiperbol) bir ölçüsüdür. Bunlara konik şekiller denmesinin nedeni bir koniyi bir yüzey ile farklı açılarla kestiğimizde bu şekillerin elde ediliyor olmasıdır.

Aşağıdaki görsel bu durumu özetlemektedir. Gök cisimleri de bu çembersel, eliptik, parabolik ve hiperbolik yörüngelere sahiptir. Aslında diğer geometriler çok kaba bir tabirle çembersel olanın basıklaştırılmış halidir. Ne kadar basık olduğunu biz bu basıklık (e) değeri ile ifade ederiz.

Britannica, “Conic Section” Geeks for Geeks,                                  “Equation of ellipse from its focus, directrix, and eccentricity”

 

  • e=0: Çember
  • 0<e<1: Elips
  • e=1: Parabol
  • e>1 Hiperbol

Evrene baktığımızda aslında hiçbirinin çembersel olmadığını görürüz. Bu durumu anlamak aslında oldukça basittir. Eğer bu gök cisminin başına bir olay gelirse, mesela bir şekilde çok az bir miktar bile yavaşlarsa, zamanla diğer gök cisminin üzerine doğru düşmeye başlayacaktır. Bu da akıllara şu soruyu getirir: Basıklık, zamanla değişebilir mi?

Güneş sistemindeki gezegenlerin (ve çoğu diğer stabil yörünge durumlarında diğer gök cisimlerinin) yörüngesi eliptiktir. Bu da basıklık değerinin 0 ile 1 arasında olması gerektiğini söyler, değer 0’a ne kadar yakınsa, o kadar çembersele yakındır. Güneş sistemindeki gezegenler için:

  • Merkür 0.205
  • Venüs 0.006
  • Dünya 0.016
  • Mars 0.093
  • Jüpiter 0.048
  • Satürn 0.054
  • Uranüs 0.047
  • Neptün 0.008
  • Plüton 0.248

Buraya özellikle Plüton’u da dahil ettik ki gezegenlikten çıkarılması konusunda bir faktör olan bu aykırılığı bir kez daha görebilelim. Merkür’ün de oldukça eliptik bir yörüngeye sahip olduğunu görüyoruz fakat geri kalanlar oldukça çembersel. Lakin bu, çeşitli etkileşimlerden dolayı zamanla bir miktar değişebiliyor ve tam olarak sabit değil. Aşağıdaki görselde, 50.000 yıl mertebesinde Merkür, Venüs, Dünya ve Mars’ın basıklık değerlerinin nasıl değişeceğini görüyoruz.

yörünge basıklık merkür venüs dünya mars zamanla değişim
Görsel: Gravity simulator – Tony Dunn <https://en.wikipedia.org/wiki/Orbital_eccentricity#/media/File:Eccentricity_rocky_planets.jpg>

Yörünge Türleri

Gök cisimlerinin yörüngelerini açık ve kapalı eğriler olarak iki grupta incelemek mümkündür. Kapalı eğri olarak adlandırdığımız grubun içine genellikle gezegenlerin, asteroidlerin ve kuyruklu yıldızların yörüngeleri girer, yani çembersel ve eliptik olanlar (bazen bunlar çeşitli faktörlerle açık bir eğriye kavuşarak sistemden fırlatılabilir). Bu tip yörüngeye sahip cisimler açık eğri şeklinde yörüngeye sahip olanların aksine bulundukları sistemi terk etmezler. Yine genellikle, yıldızlararası ve gezegenlerarası cisimlerin yörüngeleri ise parabolik ya da hiperbolik olduğundan ikinci gruba girer. Örneğin keşfedilen ilk yıldızlararası kuyruklu yıldız Oumuamua’nın basıklığı 1.2 idi, yani merkezinde Güneş bulunan hiperbolik bir yol izleyerek sistemimizi terk etti [5, 6].

Wikipedia, Oumuamua

Kütle Merkezi

Buraya kadar gezegenlerin sistemimizde Güneş etrafında dolandığını anlattıktan sonra bunun aslında tam olarak da öyle olmadığına geri dönelim. Her maddenin bir kütle merkezi vardır. Kütle merkezinin bulunduğu nokta, cismin dengeli bir şekilde, örneğin bir çubuk üzerinde, durabileceği noktadır. Kütlesi her yerine eşit dağılmış cisimlerde (uniform) bu nokta cismin tam merkezine denk gelir, örneğin bir cetveli tam ortasından parmağınızda tuttuğunuzda dengede tutabilirsiniz. Ancak kütlesi eşit dağılmamış cisimlerin kütle merkezi cismin geometrik merkezinde olmaz. Buna da örnek olarak bir balyozu verebiliriz. Balyozun kütle merkezi daha yoğun olan metal ucuna çok daha yakındır.

Space Place, NASA, “What is a Barycenter?”

Cisimlere benzer biçimde gök cisimlerinin oluşturduğu sistemlerin de kütle merkezleri bulunur ve bu gök cisimleri bu kütle merkezi çevresinde dolanırlar. Örneğin Dünya ile Güneş’in kütle merkezi, tam Güneş’in merkezi değil, Güneş’in içinde bir noktadır. Ancak Jüpiter gibi Dünya’dan çok daha büyük kütleli gezegenlerde durum biraz daha tuhaf bir hâl alır. Jüpiter’in kütlesi, kütle merkezini biraz daha kendine çeker ve Jüpiter-Güneş ikilisinin kütle merkezinin Güneş’e yakın ancak Güneş’in dışında bir noktada olmasına neden olur. Yani Güneş ile Jüpiter bu ortak kütle merkezi çevresinde dolanıyor diyebiliriz.

Space Place, NASA, “What is a Barycenter?”

Sistemimizde bu şekilde Güneş-gezegen ikililerinin kütle merkezlerinden bahsedebileceğimiz gibi tüm bir sistemin kütle merkezinden de bahsedebiliriz. Gezegenlerin değişen konumlarına göre bu kütle merkezi de değişir ve bazen Güneş’in merkezine yakın olurken bazen Güneş’in dışında olur. Güneş de bu değişen kütle merkezi etrafında yörüngededir ve yalpalanır [7].

Çoklu Sistemler

Evrendeki yıldızların birçoğu tek başına değil bir sistemin içinde bulunur ve çoklu yıldız sistemlerinde yıldızların ya da varsa gezegenlerin yörüngeleri biraz daha karmaşıktır. Bu noktada belki de şunu dile getirmek gerekir. Her ne kadar bizler için büyük ölçekler olsa da evren için küçük ölçekler olan gezegenler ve yıldızlardan bahsettik bu noktaya kadar. Fakat galaksiler de birbirleri etrafında bir dolanma hareketine sahip olup, galaksi kümelerini oluşturabilirler. Yani bu gördüğümüz davranış, sadece bu ölçekle sınırlı değildir.

Gezegen Barındıran Çift Yıldız Sistemi

Çift yıldız sistemindeki yıldızların kütleleri aynı ise bu iki yıldız ortak bir kütle merkezi etrafında döner. Bu sistemde bir de gezegen varsa gezegenin izleyebileceği üç farklı yörünge vardır. Bunlardan ilki gezegenin yıldızlardan birinin etrafında dolanıyor olmasıdır. Tabii bunun için gezegenin yıldızlardan birine çok daha yakın olması gerekir. Diğer bir seçenek ise gezegen her iki yıldıza da oldukça uzakta bulunduğunda geçerlidir. Böyle bir durumda gezegen, iki yıldıza tek bir kütle gibi davranır ve ikisinin etrafında dolanan bir yörüngeye yerleşir. Üçüncü ve son durum ise gezegenin her iki yıldız etrafında da, sekize benzer bir yörünge izleyerek dönüyor olmasıdır. İlk iki yörünge durumu kararlıdır, yani sistem bu şekilde varlığını uzun süre devam ettirebilir ancak son durumda gezegen muhtemelen kısa bir süre içerisinde sistemin dışına itilecektir [8].

Çoklu Sistemler

Evrende 2, 3, 4, 5, 6 hatta 7’li yıldız sistemleri mevcuttur. Elbette bunun teknik bir limiti yoktur, fakat doğabilecek etkileşim olasılıkları arttığından, pek kararlı olmadığından enderdirler. Bu sistemlerde yer alan yıldızlar, kütlelerine göre çeşitli yörüngeleri takip edebilirler.

Çift yıldız basık yörünge
Çift yıldız çembersel yörünge

 

 

 

 

 

 

 

yörünge üçlü sistem
Üçlü sistem örneği
Sekiz çizen üçlü sistem örneği
Sekiz çizen üçlü sistem örneği

 

 

 

 

 

 

 

dörtlü sistem yörünge
Dörtlü sistem yörünge örneği
Dörtlü sistem içinde üçlü sistem örneği
Dörtlü sistem içinde üçlü sistem örneği

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bu simülasyonlarda, her yıldızın eşit kütleye sahip olduğu durumlarda ki bir senaryoda (ki bu pek karşılaştığımız bir şey değil) ikili, üçlü ve dörtlü yıldız sistemlerinin nasıl yörüngelere sahip olacağını görüyoruz. Şunu da belirtmekte fayda var ki üçlü bir sistemde sekiz biçimli yörünge her ne kadar bilgisayar simülasyonlarında mümkün görünse de henüz gözlemlenmemiştir.

Kepler Yasaları

Yörüngelerden bahsedip Kepler’in yasalarına değinmemek olmazdı. Johannes Kepler 16-17. Yüzyıllar arasında yaşamış Alman bir astronomdur. Kendisi gezegen hareketleriyle ilgili üç yasasıyla tanınır.

  1. Gezegenler, odak noktalarının birinde Güneş olacak biçimde eliptik bir yörüngede dolanırlar.
  2. Eşit zaman aralıklarında taradıkları alan eşit ve sabittir.
  3. Gezegenin yörünge periyodunun karesi, elipsin yarı büyük eksen uzunluğunun kübüne eşittir.

Kepler yasaları uzayda etkileşim hâlindeki iki cismin zamanla nasıl hareket edeceklerini ifade ettiğinden, doğal olarak bazı yörüngeleri tahmin etmemize yardımcı olur. Ancak üç cismin birbirleriyle etkileşimini inceleyip tahminde bulunmaya çalıştığımızda hesaplamalar oldukça karmaşıklaşır ve bir öngörüde bulunmak bazı istisnalar hariç imkânsız hâle gelir. Bu istisnalara örnek olarak, uzay araçlarında olduğu gibi, bir cismin kütlesinin sonsuz küçüklükte sayılmasını, üç cismin de aynı düzlemde olduğu Lagrange durumlarını ya da üç cisimden ikisinin hareketsiz olduğu Euler durumunu verebiliriz [6, 9].

Hazırlayan: Arya Elçi & Ögetay Kayalı
Editör: Ögetay Kayalı


Referanslar
1.
NASA, “What is an Orbit?”, < https://www.nasa.gov/audience/forstudents/5-8/features/nasa-knows/what-is-orbit-58.html >
2. Space Facts, “Saturn Facts”, < https://space-facts.com/saturn/ >
3. Northwestern University, “Space Environment”, < http://www.qrg.northwestern.edu/projects/vss/docs/space-environment/1-what-causes-an-orbit.html >
4. Britannica, “Conic Section”, < https://www.britannica.com/science/conic-section#ref70765 >
5. Eberhard Grün, “Solar System dust”, < https://www.sciencedirect.com/sdfe/pdf/download/eid/3-s2.0-B9780120885893500384/first-page-pdf >
6. Britannica, “Kepler’s law of planetary motion”, < https://www.britannica.com/science/Keplers-laws-of-planetary-motion >
7. NASA, Space Place, “What is a Barycenter”, < https://spaceplace.nasa.gov/barycenter/en/ >
8. eHowEducation, “How Do Planets Orbit a Multi-Star System? : Astronomy & the Solar System”, < https://www.youtube.com/watch?v=j8aHNzFHoWY >
9. britannica, “Three Body Problem”, < https://www.britannica.com/science/three-body-problem >

Simulasyonlar:
Atlas of the Universe, “Multiple star Orbits”, < http://www.atlasoftheuniverse.com/orbits.html >

Kapak Görseli:
Britannica, “Solar System-Orbits”, < https://www.britannica.com/explore/space/solar-system-orbits/ >

Arya Elçi

Rasyonalist araştırma yazar. Orta Doğu Teknik Üniversitesi (ODTÜ) Fizik lisans öğrencisi.

Ögetay Kayalı

Rasyonalist kurucu, editör ve kıdemli yazar. NASA'nın APOD platformunda görevli olmak üzere, Michigan Tech. Üniversitesinde araştırma görevlisi olarak Astrofizik üzerine doktora yapmaktadır. Ege Üni. Astronomi ve Uzay Bilimleri Bölümünden birincilikle mezun olduktan sonra bir yıl kozmoloji üzerine yüksek lisans, ardından bir yıl da İzmir Uluslararası Biyotıp ve Genom Merkezinde Moleküler Biyoloji ve Genetik üzerine yüksek lisans yapmıştır.
Başa dön tuşu