Piano equatoriale Il sistema solare-terra-luna è costantemente in gioco, ma la Terra e il suo satellite lunare sono un po ‘più intimi-con un centro di massa, o barycenter, 2.900 miglia (4.600 km) dal centro terrestre. Credito: Astronomia: Roen Kelly
Il bisogno dell’umanità di tracciare le mutevoli fasi e i movimenti della luna è antico. I cacciatori di mammut usavano la luna come cronometrista, intagliando tacche a forma di mezzaluna in ossa e zanna. Gli astronomi sumeri hanno registrato la mozione della luna su tavolette di argilla più di 3.000 anni fa.
Ma per quanto affidabile e affidabile possa sembrare la luna, la sua danza intorno alla terra e il sole è anche piena di sfumature e variazioni: espressioni della complessità e della bellezza delle leggi della fisica. Osservare questi movimenti sottili e sbloccare i loro segreti era la chiave per comprendere il nostro posto nel cosmo.
Oggi, apprezzare i molti movimenti della luna ci collega a una delle forze trainanti della scienza nel corso dei secoli, che ci ha portato dalle pseudoscienze dell’astrologia alle complessità dell’atterraggio sulla luna.
Tutti i “luna”
Mentre la Terra orbita in orbita il sole, il sole appare dalla nostra prospettiva di seguire una linea immaginaria chiamata l’eclittica che circonda la sfera celeste. La luna e i pianeti viaggiano tutti vicino all’eclittica, entro 6 ° da essa. Le 12 costellazioni tradizionali che si trovano lungo questa linea sono chiamate zodiaco.
Mentre il sole impiega 365¼ giorni per completare un viaggio attorno all’eclittica e tornare nella stessa posizione, la luna si zitta attorno a questo cerchio immaginario in poco meno di 30 giorni.
È un piacere vedere una mezzaluna sottile sorgere in Occidente poco dopo il tramonto. Il nostro satellite naturale avanza quindi attraverso le sue fasi fino a quando non si alza come una luna piena in Oriente, di fronte al sole tramontato in Occidente. La luna continua nel suo viaggio fino a quando non si rallegra del sole come una luna nuova. Questo periodo di tempo, da una luna nuova all’altra, è chiamato mese sinodico e richiede 29 giorni, 12 ore, 44 minuti e 2,8 secondi per essere completato. Questo ciclo lunare sinodico è stato utilizzato per un millennio per creare i nostri calendari.
Ci sono altri modi per misurare il ciclo della luna. La luna sembra muoversi verso est circa 13 ° al giorno lungo l’eclittica, portando al ciclo lunare definito successivo: un mese siderale. Dura 27 giorni, 7 ore, 43 minuti e 11,5 secondi, che è il tempo impiegato dal nostro satellite per fare un’orbita completa intorno alla Terra. Dal nostro punto di vista, un mese siderale viene misurato quando la luna completa un circuito attorno all’eclittica, tornando allo stesso punto da dove è iniziato in riferimento alle stelle fisse.
Un mese draconico (chiamato anche mese nodale) è un altro modo per misurare il movimento della luna. Gli antichi osservatori si sono resi conto che la luna non traccia perfettamente l’eclittica. Questo perché l’orbita della luna è inclinata di 5,1 ° rispetto all’eclittica, facendola apparire sopra o sotto il piano. Ci sono due eccezioni al mese in cui la luna attraversa l’eclittica, in punti chiamati nodi lunari. Un nodo ascendente si verifica quando la luna attraversa l’eclittica da sud a nord e si verifica un nodo discendente quando la luna si muove attraverso l’eclittica da nord a sud. Questo movimento ciclico richiede 27 giorni, 5 ore, 5 minuti e 36 secondi, leggermente più corti di un mese siderale.
Eclissi solari e lunari possono accadere solo quando la luna attraversa questi nodi. Alcune culture – ad esempio, nella mitologia cinese – credevano che un drago si nascondesse lungo i nodi, in attesa di ingoiare il sole o la luna, da cui il nome Draconic.
Questi sono solo alcuni modi per differenziare i mesi lunari, ma la luna fornisce più modi per misurare il tempo e le stagioni.
Un balletto cosmico
La luna ci mostra sempre la stessa faccia perché la sua rotazione e orbita sono bloccate in modo ordinario. Nel primo sistema solare, un oggetto di dimensioni Marte, chiamato Theia, si scontrò con la Terra infantile per formare alla fine la luna. (Questo è noto come l’ipotesi dell’impatto gigante.) Quando la luna si è unita, la gravità della Terra ha rallentato la rotazione lunare fino a quando la sua rotazione non corrispondeva alla sua orbita attorno alla Terra, negandoci così una visione di quella che oggi è il lato più lontano. Ma anche questo movimento ha una svolta. Poiché il movimento orbitale della luna è ellittico, sembra oscillare avanti e indietro come un pendolo, un movimento chiamato Liberazione. Questa oscillazione ci consente di vedere leggermente più della metà della superficie lunare. I cambiamenti che questa apparente movimento cause sono meglio osservate con un telescopio.
Il movimento della luna lungo l’eclittica fornisce un interessante contrappunto ai progressi annuali del sole. Ogni anno, mentre la Terra completa una singola orbita attorno al sole, la luna orbita in orbita il nostro globo circa 13 volte. Dal nostro punto di vista, è facile immaginare che la luna tracciasse il percorso del sole lungo l’eclittica. Ad esempio, il sole scivola nella costellazione del Sagittario sul solstizio d’inverno. Una luna piena vicino al solstizio d’inverno, noto come Long Night Moon, apparirà direttamente attraverso il cielo in Gemelli. Tra sei mesi, è qui che apparirà il sole. E mentre il sole tramonta nel sud -ovest nel solstizio d’inverno, la luna si alzerà nel nord -est dove sorge il sole sul solstizio d’estate. Questo Pas de Deux tra il sole e la luna continua durante tutto l’anno ed è affascinante da guardare.
La navigazione avanza la tecnologia
La curiosità intellettuale non è l’unica forza che ci ha spinto a perfezionare la nostra comprensione del mondo. Nel XV e XVI secolo, le tecniche di navigazione divennero fondamentali per gli europei come Amerigo Vespucci che esplorarono le Americhe e cercarono ricchezza da sfruttare.
Il problema era conoscere la tua posizione esatta sul globo. Si sapeva da tempo che la differenza nel tempo tra due posizioni sulla Terra era una misura della distanza est-ovest tra queste posizioni-in altre parole, la loro longitudine. Ma, poiché non erano ancora stati inventati orologi da mare, i marinai si trasformarono nei cieli. I marinai avevano usato stelle come Polaris per determinare fino a che punto avevano navigato per trovare la loro latitudine per decenni. Ora la gara era in corso per trovare un metodo celeste per misurare la longitudine.
Un’idea venne a Galileo Galilei nel 1609, quando scoprì quattro lune orbitando in orbita in orbita in orbita da fare il pianeta gigante Giove nel 1609. Mentre Galileo guardava queste piccole lune frustare attorno a Giove, si rese conto che potevano servire da grande orologio celeste, spuntare costantemente per tutti gli osservatori. Gli almanacchi potrebbero essere creati elenco quando le lune apparivano e scomparirebbero dietro Giove per una posizione di riferimento. Osservare la differenza nel tempo locale di questi eventi rispetto ai tempi nell’almanacco produrrebbe la differenza di longitudine. Sfortunatamente, usare un telescopio portatile sul ponte di una nave rotolante si è rivelato quasi impossibile. Era necessario qualcosa di più grande: la luna.
Il metodo di distanza lunare, suggerito nel XVI secolo, si è rivelato più accurato. L’idea è di usare il movimento della luna come un orologio: si muove rapidamente attraverso il cielo, all’incirca la sua stessa larghezza ogni ora. Tutto ciò di cui avevi bisogno era uno strumento per misurare l’angolo tra la luna e una stella di riferimento, un almanacco con calcoli precisi di quell’angolo per i tempi determinati e la capacità matematica di risolvere un triangolo sferico! Sembra semplice, ma le menti come quelle di Isaac Newton erano necessarie per spiegare le dinamiche del sistema Sun-Earth-Moon.
Il mal di testa di Newton
Per misurare la separazione angolare degli oggetti celesti, i marinai avevano usato un dispositivo chiamato quadrante dal XV secolo. Ma le attrezzature di navigazione sono migliorate rapidamente nel corso del 17 ° secolo, culminando nello sviluppo del sestante del 18 ° secolo. Questo dispositivo ha fornito una maggiore precisione incorporando un micrometro per effettuare misurazioni angolari fine. Sono state inoltre create grafici a stelle dettagliati. Il vero problema era capire il movimento della luna abbastanza bene da produrre almanacchi accurati.
Con la sua prima legge di movimento planetario, Johannes Kepler ha dimostrato che i pianeti e i loro satelliti si muovono in orbite ellittiche. Ciò ha contribuito a spiegare molti problemi di osservazione. Decenni dopo, Newton sviluppò le sue leggi sul movimento e la teoria della gravità universale. Nel 1690, Newton usò il suo lavoro per spiegare le variazioni sui movimenti della luna.
Newton capì che sia il sole che la terra tirano sulla luna. Il risultato di questo tiro alla fune varia a seconda delle mutevoli posizioni di tutti e tre gli oggetti, rendendo estremamente difficile determinare la posizione esatta della luna in un dato momento. Ora noto come il problema a tre corpi, non ha causato a Newton senza fine dolore. Newton disse a Edmund Halley che il problema lo teneva sveglio di notte e gli diede mal di testa. Newton è stato in grado di dare un senso al problema a due corpi, ma non è stato in grado di risolvere completamente il problema a tre corpi.
Tuttavia, ha stabilito le basi per comprendere le leggi del moto e della gravitazione universale. Tenendo conto dell’influenza gravitazionale di altri pianeti e persino alla forma della Terra, gli astronomi sono stati in grado di perfezionare il movimento e la posizione della luna con grande precisione.
Rotondo e rotondo
Come sarebbe il movimento della luna da un punto di vista in alto sopra il sistema solare? Molti libri di astronomia popolari hanno diagrammi da questa prospettiva. Se il diagramma fosse animato, la luna potrebbe sembrare per tracciare una spirale mentre girava la terra e si muoveva anche attorno al sole.
Ma questi diagrammi sono raramente fatti in scala. In verità, la luna non forma una spirale: la velocità orbitale della Terra intorno al sole è molto più veloce del movimento della luna attorno alla Terra. Mentre la Terra accelera a circa 18 miglia (30 chilometri) al secondo, la luna sembra un po ‘come un cane fedele che cerca di tenere il passo con il suo padrone, al suo fianco e poi alternandosi e si sta avvicinando.
Guardando dall’alto, potremmo intuitivamente pensare a questo movimento come simile a un’onda sinusoidale attraversando il percorso della Terra. Ma anche questa immagine non è abbastanza corretta!
In verità, la luna è tirata dalla gravità del sole con una forza che è più del doppio della trazione della Terra sulla luna. Di conseguenza, la velocità della luna intorno alla Terra è molto più lenta del suo movimento attorno al sole che il suo percorso non si allontana mai dal sole. Il percorso della luna fa il percorso della Terra incrociata due volte al mese, ma questa oscillazione è lieve – non abbastanza per assomigliare a un’onda.
Questa visione del sistema Sun-Earth-Moon fornisce una migliore idea dell’effetto push-pull creato dalla gravità. È facile capire la testa pulsante di Newton.
Da questa prospettiva, la luna sembra effettivamente orbitare il sole, con la sua orbita quasi impercettibilmente disturbata dalla trazione della Terra. Alcuni (incluso l’autore della fantascienza Isaac Asimov) hanno persino sostenuto che la luna dovrebbe essere considerata un pianeta, coequal con la Terra-due corpi che viaggiano insieme intorno al sole.
Ma quando si considerano la relazione Terra-luna, la realtà è che i due corpi orbitano un centro di gravità comune chiamato barcatore. Poiché questo punto si trova all’interno della Terra – circa 1.000 miglia (1.700 km) sotto la sua superficie – la maggior parte considera la luna satellite terrestre.
Gli astronomi sono stati sfidati dai complessi movimenti della luna per secoli. Questa storia tocca solo alcuni di essi. Per la maggior parte di noi, tuttavia, la bellezza della luna in continua evoluzione è uno spettacolo che sarà sempre sorprendente e intrigante.
