Gezegenler ve Yıldızlar Neden Kendi Etraflarında ve Diğer Cisimlerin Etrafında Dönüyorlar?

Neredeyse tüm gök cisimlerinin ortak noktası, hem kendi etraflarında hem de (genellikle kendilerinden daha büyük) bir gök cisminin etrafında dönmeleridir. Örneğin Ay, Dünya'nın etrafında döner; Dünya, Güneş'in etrafında döner; Güneş, Samanyolu Galaksisi'nin merkezindeki bir kara delik etrafında döner. Dahası, bunların her biri kendi etraflarında da dönerler. Neden?

Bunu anlamak için, bu cisimlerin ilk etapta nasıl var olduklarını anlamamız gerekiyor: Hem uydular, hem gezegenler, hem yıldızlar, hem de yıldızlardan oluşan kara delik gibi yapılar, en nihayetinde kendilerinden önce gelen gaz ve toz bulutu içerisinde oluşmaktadır. Nebula adı verilen bu gaz ve toz bulutları, kendisinden önce gelen bir yıldızın süpernova veya hipernova gibi bir patlama sonucunda, yıldızsal malzemenin uzaya saçılmasıyla oluşmaktadır.

Bu patlamalar, son derece kaotik şekilde olmaktadır ve dolayısıyla bu patlamalardan saçılan malzemeler, her yöne doğru savrulabilmekte ve birbirleriyle kütleçekim kuvveti dolayısıyla etkileşerek, yön ve hız değiştirebilmektedir. Gaz ve toz bulutunu oluşturan zerrelerin belli bir kütlesi, enerjisi ve momentumu vardır. Bunların hem doğrusal, hem de açısal (döngüsel, rotasyonel) bileşenleri vardır. Yani bu parçalar uzaya saçılırken hem belli bir yöne doğru, belli bir hızda ilerlerler (ve bu, büyük oranda rastgeledir); hem de kendi etraflarında bir dönüş hızına sahiptirler.

Kütle, enerji ve momentumun her biri, fiziksel olarak korunması zorunlu olan özelliklerdir. Örneğin iki cisim birbiriyle çarpışınca, çarpışma öncesi toplam kütle ile çarpışma sonrası toplam kütle birbirine eşit olmak zorundadır. Benzer şekilde, çarpışma öncesi enerji veya momentum, çarpışma sonrası enerji veya momentuma eşit olmak zorundadır. Bu nedenle klasik fizikte, "madde ve enerji yoktan var edilemez, vardan yok edilemez" deriz.

Gaz ve toz bulutları içerisindeki maddeler, kütleçekiminin etkisiyle birbirlerine yaklaşır ve öbeklenmeye başlarlar. Bu öbekler irileştikçe, adeta yuvarlanan bir kartopu gibi etraftaki kütleleri daha da fazla üzerlerine çekerler. Bu kütle belli bir boyuta ulaştığında, yeni bir yıldız oluşabilir; ancak o kadar iri bir kütleye ulaşılamayan durumlarda da gezegenler ve uydular oluşur. Güneş Sistemi, bu şekilde oluşmuş bir yıldız sistemidir.

Bu oluşum sürecinde bir araya gelen her bir parçanın kütlesi, enerjisi ve momentumu olduğu söylemiştik. Zaten bu parçaların toplamı, yeni gök cisminin (örneğin gezegenin) toplam kütlesini oluşturur. Yani kütle korunur.

Benzer şekilde, bu parçaların enerjilerinin toplamı (örneğin kinetik enerjilerinin toplamı), cismin birleşme ve oluşma sonrasında ne yöne doğru ve ne hızda hareket edeceğini belirler. Bu, kütleli ve enerjili bütün cisimlerin uzay-zaman dokusunu büktüğü ve bu sayede "kütleçekimi" dediğimiz kuvvetin etkisini yarattığı gerçeğiyle birleşince, cisimlerin diğer cisimlerin yörüngelerine neden girdiği anlaşılacaktır. Kendisini oluşturan parçaların enerjilerinin bileşkesi olan ve yeni doğmuş bir cisim, bu bileşkenin bir sonucu olarak belli bir yöne doğru hareket etmeye başlasa da, gittiği yöndeki uzay-zaman dokusu daha büyük bir cisim tarafından bükülmüş haldeyse, mecburen onun yörüngesine girecektir ve yörüngede dönmeye başlayacaktır. Bunu değiştiren dış bir kuvvet olmadığı müddetçe, uzayda sürtünme de pek az olduğu için, yörünge hareketi on milyarlarca yıl boyunca devam edecektir.

Math Is Fun

Gök Cisimleri Neden Kendi Etrafında Dönüyor?

Buna benzer şekilde, bir gök cismini oluşturan parçaların momentumlarının toplamı, cismin birleşme ve oluşma sonrasında ne yöne doğru ve ne hızda döneceğini belirler. Her bir parça, kendince bir dönme momentumuna sahip olduğu için, bunlardan oluşan parça da bileşke bir dönme momentumuna sahip olacaktır. Buna bağlı olarak, katrilyonlarca ufak parçanın birleşimiyle oluşan büyük cisim, belli bir dönme momentumuna sahip olacaktır. Bu nedenle, yine uzayda pek az sürtünme olduğu için, dışarıdan bir kuyruklu yıldızın veya asteroidin çarpması gibi bir kuvvet etki etmediği müddetçe, on milyarlarca yıl boyunca kendi etrafında dönecektir.

Elbette, sıra dışı bazı durumlarda bu hareketler sıfır veya sıfıra yakın değerler alabilir. Örneğin aşırı düşük bir olasılıkla, gök cismini oluşturacak cisimlerin momentumunun bileşkesi sıfıra yakın bir değere denk gelecek olursa, o gök cismi kendi etrafında dönmeyebilir. Benzer şekilde, kendi etrafında dönecek biçimde oluşan bir gök cisminin toplam momentumunu sıfırlayacak yönde bir asteroid çarpması yaşanacak olursa, gök cismi kendi etrafında dönmeyi sonlandırabilir. Fakat Kaos Teorisi'nin de etkisiyle, başlangıç koşullarına çok hassas olan bu oluşumların kusursuz bir şekilde sıfır momentuma sahip olma ihtimali sıfıra yakındır; bu nedenle hemen hemen bütün gök cisimleri, kendi etraflarında belli bir dönüş hızına sahiptir.

Bu durum, aynı zamanda Güneş Sistemi'nin neden bu kadar "düz" olduğunu da izah etmektedir.

Bütün Gök Cisimleri Neden Aynı Yönde Dönüyor?

Aslında Güneş Sistemi'ndeki bütün gök cisimleri aynı yönde dönmez: Uranüs ve Venüs'ün dönme yönleri, diğer gezegenlerden farklıdır. Ancak bir yıldız sistemindeki birçok gök cisminin aynı yöne dönmeye meyilli olduğu doğrudur.

Bunun iki olası açıklaması vardır: İlki ve daha olası olanı, Güneş'in oluşumu sırasında merkeze çöken gaz ve toz bulutlarının, bu çökme sırasında tıpkı bir sifon gibi belli bir yöne doğru dönmesidir. Bu, diğer bütün cisimlerin ne yöne döneceğini dikte etmiştir. İkinci ve daha az olası olan açıklama ise, yıldız sisteminin oluşumu sırasında civarda meydana gelmiş olabilecek bir süpernovadan saçılan şok dalgalarının, gök cisimlerini belli bir yönde dürterek, o yöndeki enerji ve momentumlarını arttırmış olmasıdır. Güneş Sistemi için bu yön, birçok cisim için batıdan doğuya doğrudur (saat yönünün tersinedir).

Ancak Venüs, doğudan batıya (saat yönünde) döner; Uranüs ise 90 derece yan yatmıştır ve "yana doğru" döner. Bu anomalilerin, yıldız sisteminin oluşumu sırasındaki ön gezegenlerin bu gezegenlere çarpmasıyla olduğu düşünülmektedir.