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martedì 19 novembre 2019

Perchè le orbite sono ellittiche?


Da Newton e Keplero ad Albert Einstein, ormai le leggi della gravità e la matematica alle origini delle orbite di pianeti e satelliti non sono più un mistero. Ma la domanda che si pongono in molti è: perché le orbite dei pianeti sono ellittiche e non circolari?

E' davvero raro infatti trovare nel Sistema Solare un corpo che ruoti naturalmente attorno ad un altro con orbita esattamente circolare.
Più o meno eccentriche, le orbite dei pianeti e degli asteroidi, sono delle ellissi.

Ma prima di capire come mai la maggior parte delle orbite è ellittiche facciamo un passo in dietro sui vari tipi di orbita, e sul perché un oggetto finisce per orbitare attorno ad un altro.
Alla base di tutto c'è il fatto che due oggetti nello spazio vuoto con masse più o meno simili hanno un'attrazione gravitazionale l'uno verso l'altro.
In genere siamo abituati a pensare ad un oggetto con grande massa attorno alla quale orbita un oggetto con massa molto minore. Ad esempio la Terra con la Luna o il Sole con i pianeti.
Bene, questa situazione non è affatto la normalità. Nello spazio infatti ci sono molte stelle doppie, o triple, con masse molto simili, che orbitano "una attorno all'altra".



In realtà dire che ruotano "una attorno all'altra", oppure che un pianeta ruota attorno al Sole, non è affatto appropriato.
In generale quando un corpo "orbita attorno ad un altro" corpo, significa che entrambe i corpi stanno ruotando attorno ad un baricentro comune.
Nel caso dei pianeti e del Sole, questo baricentro si trova molto vicino alla posizione del Sole, ma nel caso di stelle binarie si trova tra le due stelle.

Tornando ora alle forme delle orbite dei sistemi planetari, possono avere in realtà forme differenti.
Queste forme sono regolate dalla massa dei due oggetti e dalla velocità con il quale i corpi interagiscono all'interno del sistema.
Possiamo quindi trovarci davanti a quattro tipi differenti di orbite: a spirale, iperbolica, ellittica o circolare.
Per semplificare, da qui in poi parleremo del Sistema Solare, che ha il centro nei pressi del Sole e che è composto da pianeti e da oggetti minori.



Un orbita a spirale è in realtà un'orbita mortale e che dura molto poco.
Porterà inevitabilmente l'oggetto orbitante a schiantarsi sul Sole (o sul corpo predominante). E' il caso di corpi orbitanti con massa e/o velocità molto basse.
Questi corpi cadono sul Sole con un percorso a spirale che li porta sempre più vicino alla sua superficie. Un po come fa una biglia lasciata correre all'interno di un grosso imbuto.

Un orbita iperbolica invece, è il percorso che hanno oggetti con velocità molto alte oppure che mantengono una grande distanza dal Sole.
Questi corpi si avvicinano al Sole ed il loro percorso viene deviato verso il Sole dalla sua forza gravitazionale.
Tuttavia se sono molto veloci, oppure abbastanza lontani (o entrambe le cose), continuano la corsa oltre il Sole senza lasciarsi imprigionare da esso.
Questi oggetti dopo essersi avvicinati al sole, vengono deviati e rimandati fuori dall'influenza gravitazionale della nostra stella, formando un percorso iperbolico, e non tornano mai più nei pressi del Sole.
Oumuamua e Borisov sono esempi di questi corpi che hanno transitato nei pressi del Sole per poi andarsene per sempre.

E ora veniamo al nocciolo dell'articolo: Le orbite ellittiche.
Perché le orbite degli oggetti del Sistema Solare sono tutte ellittiche?
Quando un oggetto è troppo piccolo oppure troppo lento per sfuggire all'attrazione gravitazionale del Sole, inizia ad orbitargli attorno con un'orbita ellittica e ripetitiva.
In origine i pianeti sono stati attratti dal Sole. Dopo essersi avvicinati, la velocità che hanno acquisito non è stata sufficiente a rispedirli fuori dal sistema solare con un percorso iperbolico.
Quindi hanno iniziato si ad allontanarsi ma perdendo velocità e finendo con il tornare di nuovo vero il Sole.
Da quel momento in avanti il loro percorso è sempre stato lo stesso: un tira e molla cosmico che ha dato origine alle orbite ellittiche.
Durante la loro formazione, i pianeti hanno acquisito una loro velocità dovuta agli impatti dei frammenti rocciosi e alla velocità di moto che aveva la nebulosa primordiale.
Questa velocità, sommata a quella dell'attrazione gravitazionale del Sole, permette loro di non schiantarsi su di esso ma di girargli intorno per poi sfuggirgli attraverso una fionda gravitazionale.
A mano a mano che si allontanano però, questo effetto si affievolisce, riportando ancora il pianeta verso il baricentro comune con il Sole.
Ecco tracciata un'orbita Ellittica.

Da tutto questo è facile capire che la velocità dei pianeti è massima nel punto più vicino al Sole, mentre è più bassa nel punto più lontano.
La bassa velocità avvicina il pianeta al Sole, mentre l'alta velocità lo sposta di nuovo verso l'esterno del sistema.
Per esempio la velocità massima con la quale orbita la nostra Terra è di 30,3 km/s, mentre quella più lenta è di 29,3 km/s.
Puoi approfondire i movimenti della Terra nello spazio in questo interessante approfondimento: Quanto veloci siamo da fermi?

Questa minima differenza porta ad un orbita leggermente ellittica. La cosa interessante di tutto ciò è che l'energia totale dell'oggetto in orbita (energia cinetica più energia potenziale) rimane costante e genera l'armonia e la ripetitività dell'orbita.

Ora passiamo a delle vere rarità: le orbite circolari.
Nonostante la maggior parte delle illustrazioni del Sistema Solare siano ad orbita circolare, questo tipo di orbita nello spazio è quasi impossibile da trovare.
La Terra per esempio, che ha un'orbita molto poco eccentrica, ha comunque un orbita ellittica.
Le condizioni affinché un oggetto possa acquisire un orbita circolare dovrebbero essere "troppo perfette".
Le velocità intrinseca del corpo e quella con la quale viene attratto dal Sole dovrebbero essere perfettamente bilanciate: il che è davvero poco probabile.

Per concludere, più volte abbiamo detto in questo approfondimento che i pianeti, gli asteroidi e i pianetini del Sistema Solare, orbitano attorno ad un baricentro comune.
Non è preciso infatti dire che i pianeti ruotano attorno al Sole.
Questo perché quando due corpi orbitano l'uno attorno all'altro, in realtà entrambi orbitano attorno al loro centro di massa.
Questo centro di massa è chiamato baricentro.
Di fatto quindi la Luna non orbita attorno alla Terra, e i pianeti non orbitano attorno al Sole.

Ma quindi dove si trova il baricentro del Sistema Solare?
Le realtà è che ogni pianeta, cometa, asteroide, o che si voglia, ha un rapporto personale con il Sole e la coppia ha il proprio baricentro che è distinto da quello degli altri corpi.
Il baricentro di Massa tra la Terra e il sole, ad esempio, si trova molto vicino al centro del Sole. Il baricentro tra il Sole e il pianeta Giove invece, si trova fuori dal Sole, a 743.000 km dal nucleo, cioè 47.000 km oltre la sua superficie (fotosfera).