Okuma Süresi: 10 dakika

Yörüngeler Hakkında Bildiklerimizin Tarihi

Yörünge, uzayda bir nokta çevresinde periyodik olarak dönen bir cismin izlediği yol olarak tanımlanır. Bu kavram çok eski zamanlardan beri insanların gökyüzünü gözlemlerken fark ettiği bir olguydu. Çünkü gökyüzüne bakıldığında görülebilen en belirgin iki cisim olan Güneş ve Ay gün içerisinde konum değiştiriyordu.

Gökyüzündeki cisimlerin hareketlerini açıklamak için İlk Çağ’da Yunan filozofları farklı şekilde Güneş Sistemi modelleri ortaya atmış ve bunların o dönemde en çok kabul göreni Ptolemaios’un (Batlamyus) Dünya merkezli modeli olmuştur. Ancak gözlemlerini kendi teorisiyle açıklamak için de gezegenlerin takip ettiği çembersel yörüngenin üzerinde epicyle adı verilen yörüngeleri model olarak kullanmıştır. Daha sonra gelen Kopernik ise sistemin merkezini Güneş kabul edilirse bu epicycle adı verilen yapıya ihtiyaç olmadığını gösterdi. Tycho Brahe ise yaptığı detaylı gözlemler sonucunda keşfettiği 1000’e yakın yıldızla beraber zengin bir veri havuzuna sahipti. Yaptığı incelemeler sonucunda yıldızların neredeyse gökyüzünde hiç konum değiştirmediğini fark etti. Bu iki anlama geliyordu, ya yıldızlar o kadar uzaktaydı ki paralaks etkisi az olduğundan bu değişimleri tespit etmek çok zordu ya da Dünya hareket etmediğinden paralaks etkisi bulunmuyordu. O da ikinci seçeneğin doğru olduğunu düşündü ve kendi sistemini bu fikrin üzerine inşa etti.

Brahe’nin öğrencisi olan Kepler, Tycho’nun verilerini kullanarak gezegenlerin hareketlerini açıklamak için 3 adet yasa ortaya attı. Bu yasalarda Dünya’yı Brahe’nin aksine dönüyor kabul etti.

1. Yasa: Her gezegen odaklarından birinde Güneş’in bulunduğu eliptik yörüngelerde dolanır.

2. Yasa: Gezegeni Güneş’e birleştiren yarıçap vektörü eşit zamanlarda eşit alanlar tarar.

3. Yasa: Bir gezegenin yörüngesel periyodunun karesi (T^2), yörüngesinin uzun ekseninin yarısının küpüyle (r^3) doğru orantılıdır.

Bu yasaların Kepler tarafından ortaya atıldığı o dönemde değişen değişkenlerin matematiği Newton tarafından bulunmadığından dolayı bu üç yasanın açıklanmasının yapı taşı olan kuvvet kavramı henüz bilinmiyordu. Kepler’in bulduğu ilişkiler gözlemsel verilere getirilen geometrik ve matematik yorumlar olarak kaldı ancak önemli bir etkisi ise daha önceden birçok Antik Çağ düşünüründen kalan çembersel yörünge kavramı eliptik yörünge ile değişmiş oldu. Newton ise daha sonradan “kuvvet’’ kavramını ortaya atarak gezegenlerin hareketlerine deterministik bir açıklama getirdi.

Uzun yıllar boyunca kullanılan Newton yasalarının göze çarpan bir hesap hatası ortaya çıktı. 19. yüzyılda U. Le Verrier tarafından yayımlanan makaleye göre Merkür’ün yörüngesinde gözlemlerle teorik olan yapılan hesaplar arasında bir farklılık vardı. Birçok bilim insanı bu farkın Güneş Sistemi’nde keşfedilmeyen başka bir gezegenden kaynaklandığını düşündüler. Nitekim bu Neptün’ün keşfedilmesine yol açtı. Ancak keşfedilen Neptün’ün kütleçekimi de bu hesap farkını kapatamıyordu. Tıpkı Neptün gibi Güneş’le Merkür arasında başka bir gezegen olduğu fikri ortaya atıldı hatta bu cisme Vulcan adı da verilmişti. Aslında farkın sebebi Newton formüllerinden kaynaklanıyordu. Einstein’ın genel rölativite denklemleri, gözlemle teorik bulguları birleştirmeyi başarmış görünüyordu.

Aşağıdaki denklemde görülen (2*G*M/c^2*r) ifadesi Newton kütleçekim yasalarıyla yazılan hız ifadesine eklenen bir rölativistik terimdir. Merkür ve Güneş düşünüldüğünde aradaki mesafe (r) diğer gezegenlere kıyasla çok küçük olduğundan önemli hâle geliyor bu yüzden Newton hız ifadesiyle arasında küçük bir fark meydana geliyordu. Diğer gezegenlerde de bu fark mevcut ancak Güneş ile olan mesafelerinin büyüklüğü düşünüldüğünde bu fark oldukça küçük olduğundan önemsenmemişti. Günümüzde ise daha doğru hesaplamalarla bir gezegenin yörüngesini tayin edebiliyoruz.

Yörüngelerin Özellikleri

Bir cismin yörüngesini ve hareketini tanımlayabilmek için belirli özelliklere ihtiyacımız var. Bunlar yörünge eğimi, yükselme düğümü açısı, majör ve minör eksenler, basıklık, periapsis uzunluğu ve periapsis zamanıdır.

Yörüngeyi tanımlamak için gereken ilk özellik yörünge eğimidir. Bu özellik tanımlanan yörüngenin seçilen bir referans düzlemle arasındaki açıyı tanımlar. Yörünge için önemli ikinci özellik ise yükselme düğümü açısıdır. Bir gökcismi etrafında dolanan başka bir cismin hareketinde, ilkbahar gündönümü doğrultusundan yükselme düğümü doğrultusuna doğru, doğu yönünde ve ekvator düzleminde ölçülen açıdır. Bu iki özellik yörüngeyi belirli bir doğrultuya oturtur.

Majör eksen ise, konikteki bir şekilde merkezden ve odaktan geçerek şekli kesen en uzun yarıçapın olduğu eksendir. Minör yarı ise en kısa yarıçapın olduğu eksendir. Basıklık ise konik üzerindeki noktaların odağa ve doğrultmana uzaklıklarının oranı, elips için büyük çapın küçük çapa oranıdır. Periapsis uzunluğu da bir gökcisminin etrafında döndüğü gökcismine en yakın olduğu uzaklıktır. Bu üç özellikte yörüngenin şeklini oluşturur. Şekiller ise basıklık derecesine bağlı olarak dairesel, eliptik, parabolik, hiperbolik ve radyal olabilir ancak geometrik şekil olarak uzaydaki cisimlerin yörüngelerinin şekli eliptiktir.

Son olarak da periapsis zamanı ise bir gökcisminin etrafında döndüğü gökcismine en yakın olduğu noktaya ne zaman geldiğidir. Bu da cismin hangi zamanda yörüngenin hangi noktasında olduğunu öğrenmemizi sağlar.

Yörüngeler isimlendirilirken odakta bulunan gökcisimlerine göre ad verilir. Bu bir yıldız veya gezegen olduğu gibi bir galaksi de olabilir. İsimlendirme yapılırken odakta bulunan cisim ön ek hâline getirilir ve sonuna merkezli anlamına gelen “centric’’ ifadesi kullanılır. Ön eklerin çoğunluğu normalde kullandığımız Roma tanrılarının aksine (Merkür, Venüs, Mars vb.) bunların dengi olan Yunan tanrılarının isimlerinden (Hermes, Aphrodite, Ares vb.) gelir. Bazı adlandırma örnekleri: Galactocentric yörünge (galaksi merkezli), Heliocentric (Yunan: Helios-Roma:Sol), Kronocentric yörünge (Yunan:Kronos-Roma:Satürn), Areocentric yörünge (Yunan:Ares-Roma:Mars).

Uzay Sınırı ve Dünya Yörüngeleri

Dünya yörüngesine yollanan uydular sınıflandırılırken ise yükseklik bazlı bir kategorilendirme uygulanıyor. Bunlar alçak, orta ve yüksek Dünya yörüngesi uyduları şeklinde isimlendiriliyor. İsimlendirme bu bölgelerdeki Dünya’ya olan mesafeye ve çizgisel hıza göre işlevleri değişen uydular için iyi bir sınıf oluşturuyor.

Herkes uzayın gökyüzünde gezegenimizin dışında, yukarıda olduğunu bilir ancak gezegenimizin sınırlarının nerede başlayıp bittiği genellikle bilinmez. Atmosferle uzayı birbirinden ayıran Kármán çizgisi adı verilen Dünya’nın yüzeyinden 100 km yüksekliğe kadar olan bir sınır kabul edilir. Ancak hava içeren atmosferin sınırının nerede sonlandığı konusu çeşitli ise kurumlarca farklı kabuller ile değişmektedir. Macar fizikçi Theodore von Kármán, sınırın deniz seviyesinin 80 km üstü olarak kabul edilmesini önerdi. Ancak günümüzde bazı havacılık kurumları tıpkı Kármán gibi 80 km’yi kabul ederken NASA ve Amerikan Hava Kuvvetlerinin başını çektiği bir grup ise bu sınırı 100 km olarak kabul etmektedir.

Alçak Dünya yörüngesi (Low Earth Orbit-LEO), deniz seviyesinden 160 ile 2000 km arası bir yüksekliğe sahip olan bölgeyi kapsar. Askerî uçaklar harici tüm uçakların genelde 14 km’yi geçmeyen bir yükseklikte uçtuğu düşünülürse LEO’nun yüksekliği daha iyi anlaşılacaktır. Aynı zamanda LEO, Uluslararası Uzay İstasyonu’na da (International Space Station-ISS) ev sahipliği yapmaktadır. Bugüne kadar süregelen uzay görevleri düşünüldüğünde 1968-1972 yılları arasında yürütülen Apollo Ay programından beri hiçbir insan LEO’nun ötesine ulaşmadı. Gezegenimizin etrafına yolladığımız uyduların büyük bir kısmı bu bölgede dolanmaktadır. Bölgenin büyüklüğü sebebiyle LEO, sayısız uydunun bulunması için yeterli alanı oluşturmaktadır. Bu bölgeye gönderilen uydular gezegenimize olan yakınlıklarından dolayı genellikle Dünya’dan yüksek çözünürlüklü görüntü almak için kullanılır. Uydular bu bölgede saniyede 7,8 km gibi bir mesafe katetmekte ve bu da ortalama olarak bir uydunun 90 dakikada Dünya’nın etrafını dolaşabildiği anlamına gelmektedir. Bu yüzden, tekil çalışan uydular görüntü alma görevlerini yapmakta ve nispeten daha kolay olan telekomünikasyon amaçlı görevler yürütmektedir.

Orta Dünya yörüngesi (Medium Earth Orbit-MEO) ise deniz seviyesinden 2000 km ile kabaca 35.000 km arasındaki bölgeyi kapsar. Bu bölgede çalışan uydular ise genelde navigasyon, iletişim, jeodezi ve uzay gözlemi gibi işlevleri yerine getirir. NASA’nın gönderdiği GPS uyduları, Avrupa Uzay Ajansının (ESA) 2017’de yolladığı navigasyon uydusu Galileo ve Rusya’nın navigasyon uydusu GLONASS’da orta Dünya yörüngesinde bulunmaktadır. MEO’da bulunan uyduların Dünya etrafındaki bir tam turu 2 saat ile 24 saat arasında değişmektedir.

Yüksek Dünya yörüngesi (High Earth Orbit-HEO) ise deniz seviyesinden 35.000 km ve üzeri mesafeler için kullanılır. Dünya’nın kütleçekiminin teorik olarak sonsuza kadar devam ettiğinden dolayı bu bölgenin bir üst sınırı bulunmamaktadır. HEO’nun en önemli özelliği bu bölgenin belirli kısımlarında, yaklaşık olarak Dünya yüzeyinden 36.000 km yükseklikte dolanan uyduların periyodu Dünya’nınkiyle eşit olur ve eğer bu uydu gezegenin basık olmayan kısmı olan ekvator etrafında döndürülürse Dünya’dan bakan bir gözlemci bu özel bölgedeki uyduları gökyüzünde duruyormuş gibi görecektir. Bağıl hızın sıfıra eşit olduğu bu duruma jeosenkron dönüş adı verilir ve bulutlar, su buharı, rüzgâr verilerini toplayan uydular bu dönüşe sahiptir. Aynı zamanda jeosenkron yörüngeye sahip uydular gökyüzünde her zaman aynı noktada bulunduğundan gönderilen bölgede iletişim, gemi ve uçakları kurtarma gibi görevlerini de verimli bir şekilde yerine getirmektedir. HEO’nun daha yüksekteki bölgelerinde ise Güneş aktivitelerini izleyen GOES uydusu bulunmaktadır.

Hazırlayan: Burak Çelikten

İTÜ Astronomi Kulübü Üyesi