هل تساءلت يوما كيف يتم قياس وزن الكون والأجرام السماوية؟ وما هي النظريات التي تستند إليها هذه القياسات؟ وكم هي صالحة
وزن الكون والاجرام السماوية
لتحديد وزن الأجسام السماوية في الفضاء، يحتاج العلماء إلى معرفة وقت دوران الجسم السماوي حول محوره، وخاصة الكواكب في مداراتها، وأيضاً معرفة المسافة بين الجسم المراد تحديد وزنه وبين الأجسام السماوية الأخرى، ومدى هذا البعد .
لا يمكن للعلماء وضع الكواكب أو الأجرام السماوية الأخرى على الميزان لقياس وزن كل جسم منها. ولذلك، وجد العلماء طرقا أخرى لتقدير وزن الأجسام الفضائية. يتطلب ذلك حساب نسبة صعوبة الكواكب أو الأجسام في جذب الأجسام الأخرى نحوها. فكلما زاد وزن الجسم السماوي، زادت قدرته على جذب الأجسام القريبة منه مثل الأقمار أو المركبات الفضائية التي تسافر في الفضاء. وتسمى هذه القدرة على جذب الأجسام بـ `قوة الجذب الثقالية` أو `الجاذبية` .
ماذا يوجد في الفضاء
الفضاء الخارجي هو نوع من امتداد الفراغ، ويوجد خارج الكرة الأرضية وبين الأجسام الفضائية في الكون. هذا الفضاء ليس فارغا كما يبدو، بل يحتوي على العديد من جزيئات الهيليوم وجزيئات الهيدروجين ذات كثافة صغيرة نسبيا. بالإضافة إلى ذلك، يحتوي الفضاء على العديد من الإشعاعات الكهرومغناطيسية والنيوترونات والأشعة الكونية المختلفة والغبار .
تبلغ درجة حرارة الفضاء الثابتة حوالي 270.45 درجة مئوية، ويعد الفضاء هو الكيان الذي يشغل المساحة الأكبر في الكون بين جميع الأجسام السماوية والمجرات .
تمثل البلازما التي توجد بين المجرات حوالي نصف المواد الباريونية في الكون، وتشير التقديرات إلى أن نسبة 90 في المئة من كتلة معظم المجرات في الكون تتكون من مادة غامضة تسمى `المادة المظلمة` .
جاذبية الكواكب في الفضاء وتحديد أوزانها
يفيد قانون الجاذبية لإسحق نيوتن بأن القوة التي تجذب جسمين تتناسب مع مجموع كتلتيهما مقسومة على مربع المسافة بين مراكز الكتلتين .
يُعد نصف قطر الأرض من القياسات التي يمكن للعلماء قياسها، وبهذا يُمكن استخدام قانون الجاذبية لحساب كتلة كوكب الأرض من حيث قوة الجاذبية على جسم ما على سطح الأرض، وذلك عن طريق استخدام نصف قطر الأرض كمسافة .
يجب أيضًا معرفة ثابت التناسب في قانون الجاذبية ” G ” ، وفي القرن الثامن عشر قد حدد ” هنري كافنديش ” قيمة هذا الثابت وقدره بقيمة 6.67 × 10-11 نيوتن بين جسمين يبلغ وزن كل منهما 1 كيلو جرام ، وتكون المسافة بينهما 1 متر ، وذلك خلال تجربته الشهيرة التي تُعرف باسم ” وزن الأرض ” عن طريق قياس القوة الأفقية الموجودة بين المجالات المعدنية بشكل دقيق .
حساب وزن الأجرام بالكتلة
يعتمد وزن الأجسام بشكل أساسي على كتلتها الخاصة وقوة جاذبيتها، وتعتمد قوة الجاذبية على مدى بعد الأجسام عن بعضها البعض، وهذا يفسر اختلاف الوزن من كوكب لآخر. في بعض الأحيان يكون القياس بسيطا، مما يدفع العلماء لقياس كتلة الجسم ومقدار المادة الموجودة به، حيث يظل الوزن ثابتا مع اختلاف المكان والجاذبية .
حساب كتلة الشمس
يمكن للعلماء حساب كتلة الشمس باستخدام قانون الجاذبية ومعرفة كتلة الأرض ونصف قطرها، وتحديد المسافة بين الأرض والشمس .
يمكن حساب الجاذبية بين الأرض والشمس عن طريق ضرب ثابت G في كتلة الشمس وكتلة الأرض، ثم قسمة الناتج على مربع المسافة بين الأرض والشمس، وهي القوة التي تحدد حركة الأجرام السماوية في النظام الشمسي .
يجب أن يكون مستوى الجاذبية متساويًا مع القوة المركزية التي تعمل على المحافظة على حركة الأرض في مدارها الشبه دائري حول الشمس .
القوة المركزية تمثل الكتلة المضروبة في تربيع قيمة السرعة، ثم يتم قسمتها على مقدار بعدها عن الشمس .
ومن خلال حساب المسافة بين الأرض والشمس ، يمكننا حساب سرعة دوران الأرض حول الشمس ، وبالتالي يمكننا حساب كتلة الشمس .
وما إن يتم الحصول على قيمة كتلة الشمس ؛ فإنه يُمكننا تحديد كتلة كل كوكب على حدة ؛ وذلك عن طريق تحديد نصف قطر مدار كل كوكب ، وأيضًا تحديد الفترة الفلكية ، ثم يتم حساب القوة المركزية ، ثم مساواة كل من القوة المركزية ، والقوة التي يحتملها قانون الجاذبية ببعضهما البعض عن طريق استخدام كتلة الشمس .
ينص قانون الجاذبية لنيوتن على أن جميع أجزاء المادة في الكون تجذب بعضها بعضًا بقوة جاذبية تتناسب مع كتلتها .
هذا القانون له قوة صغيرة جدًا بالنسبة لجميع الأشياء الموجودة في حياتنا اليومية بمختلف أحجامها، حيث لا يمكن ملاحظته، بينما تتناسب الأجسام التي تكون بحجم الكواكب والنجوم في الكون مع هذا القانون .
يُمكننا أيضًا استخدام الجاذبية لمعرفة كتلة كوكب ما ، وهذه الطريقة تُعرف باسم ” قياس قوة الشد ” ، وتتمثل طريقة قياس قوة الشد على كائن آخر في تحديد الوقت المستغرق لدوران القمر ” الطبيعي ، أو الصناعي ” حول الكوكب الخاص به ؛ وبناءً على هذا نتمكن من تطبيق قوانين نيوتن لنحصل على كتلة الكوكب .
حساب كتلة الكواكب
هناك أنواع من الكواكب التي يمكن للأقمار الصناعية رصدها، ومن أبرز الأمثلة على ذلك كوكب الزهرة وعطارد. فهما لا يمتلكان أقمارا صناعية، وعلى الرغم من ذلك يتأثر كل منهما بالآخر وبقوى صغيرة للجاذبية على سائر الكواكب في النظام الشمسي. وهذا يتسبب في اتباع المسارات المختلفة عن المسارات المفترضة بدون وجود هذه القوى، مما يؤدي إلى اضطراب المسارات .
حساب كتلة الكويكبات
الكويكبات لديها كتل صغيرة جدًا، حتى أنها لا يمكنها دخول مدار أي كوكب آخر في معظم الأحيان، وجميع الكتل المعروفة للكويكبات هي تقديرات ناتجة عن الافتراضات وترتيب المعادن فيها .
تتشابها الكويكبات مع الأقمار الطبيعية إلى درجة كبيرة ؛ فالمركبات الفضائية التي تُحلق في الفضاء اعتمادًا على الكويكب تجد انحناءً في مسارها بمقدار ما ، وهذا المقدار قد تحكمت فيه كتلة هذا الكويكب ، ويتم قياس مقدار الانحناء من خلال التتبع الدقيق ، وأيضًا من خلال قياس موجات ” راديو دوبلر ” من سطح الأرض .
تمكنت المركبة الفضائية `NEAR` حديثًا من تحديد الكتلة الفعلية للكويكب لأول مرة، وكانت كتلته خفيفة للغاية ولها ملمس زبدي، الأمر الذي أحير الكثير من العلماء في تفسير هذه النتائج .