¿Cómo pesamos un planeta?
Mi amigo me preguntó cómo pesan los científicos un planeta. Él no tiene experiencia en ciencias, así que necesito hacerle entender con una simple analogía. ¿Cómo puedo explicarle?
La otra respuesta publicada es correcta, pero déjame intentar explicarla un poco más detalladamente y corregirte en tus términos. Hice una entrevista sobre este tema para un podcast literalmente hace solo dos días, por lo que está fresco en mi mente.
Respuesta: La forma en que determinamos la masa de un objeto astronómico es a través de la forma de Newton de la Tercera Ley de Kepler, que relaciona la distancia que otro objeto orbita alrededor del objeto en cuestión con la distancia que orbita desde ese objeto, y algunas constantes matemáticas y físicas fundamentales. Hacer esto requiere que haya un objeto de "prueba" más pequeño en la órbita del objeto cuya masa desea medir.
Conceptualmente, esto significa que solo podemos medir la masa de un objeto a través del efecto de esa masa sobre otro objeto.
¿Qué significa eso? La Tercera Ley de Kepler establece que el tiempo que tarda un objeto en orbitar a otro, al cuadrado, es proporcional al semieje mayor de su órbita alrededor de ese objeto, al cubo. A menudo usamos eso en nuestro sistema solar en unidades de distancia en AU (1 AU = distancia promedio de la Tierra al Sol) y años terrestres. Entonces, antes de que supiéramos qué tan grande es una UA en km, todavía sabíamos que Júpiter tenía alrededor de 5.2 AU y tomó 11.9 años terrestres para dar la vuelta al sol.
La Tercera Ley de Kepler se formó en 1619, pero se necesitó la Ley de Gravitación de Newton en 1687 para proporcionar la física detrás de ella. Esa física cambió el "es proporcional a" a "igual" y agregó 4π 2 /G*M en la fórmula. Sabemos lo que significa 4, sabemos lo que significa π. M es la masa del objeto grande que algo está orbitando. Es lo que queremos resolver. Y, suponiendo que podamos observar un objeto en órbita, conocemos su período y distancia del objeto principal que queremos resolver.
Entonces, todo lo que tenemos que hacer es calcular G, la constante gravitatoria. La gravedad es realmente débil, por lo que es muy difícil de medir, y se necesitaron casi 100 años para calcularla con cierta precisión, y la primera medición real que le gusta a la gente (realizada por Cavendish) no sucedió hasta 1798.
Con un valor para "gran G", como suele llamarse en la clase de física, ahora puede calcular la masa de cualquier objeto en el espacio. Siempre y cuando tenga otro objeto orbitándolo. Se requiere ese objeto más pequeño para que podamos usar la Tercera Ley de Kepler para observar la órbita de ese objeto alrededor del grande que queremos medir. Si no tenemos ese objeto más pequeño en órbita, no podemos* medir la masa del grande. Entonces, nuestras primeras mediciones razonables de la masa de Plutón solo se produjeron una vez que se descubrió su satélite principal, Caronte. Solo los asteroides con lunas tienen estimaciones de masa razonables.
* Hay algunas otras formas de hacer esto. Una es poner un satélite artificial en órbita, de modo que una vez que Dawn haya orbitado a Vesta, y luego a Ceres, podamos obtener sus masas. Otra forma es una honda gravitatoria alrededor de un objeto, como enviar una sonda más allá de Venus, podemos ver cuánto Venus desvía la sonda y obtener su masa. También podemos observar las perturbaciones gravitatorias en un sistema causadas por masas más pequeñas y averiguar cuáles deben ser esas masas más pequeñas para causar esas perturbaciones, pero esto es mucho más difícil (pero condujo a algunas estimaciones iniciales de la masa de Venus).
La conclusión es que, conceptualmente, solo puede hacer esto midiendo los efectos del objeto (masa) en otro objeto.
Términos : La masa es una propiedad fundamental de la materia, es una forma de pensar en cuántas "cosas" hay. Tiene las unidades familiares de gramos (o kilogramos) o libras. El peso es diferente. El peso es cómo actúa la masa en presencia de una aceleración, como la gravedad. Tiene las unidades métricas de Newtons.
En presencia de una aceleración gravitacional básicamente igual (la superficie de la Tierra), la masa y el peso son proporcionales porque la aceleración gravitatoria es la misma. Entonces, mi masa, que no cambia (mucho), significará que peso lo mismo donde sea que esté en la superficie de la Tierra. Si mi masa es de 100 kg, pesaré alrededor de 1000 N en la Tierra. Si voy a la Luna, mi masa sigue siendo de 100 kg, pero estaré en un campo gravitatorio diferente y pesaré alrededor de 160 N.
Debido a que mi peso y mi masa son proporcionales prácticamente en cualquier parte de la Tierra, usamos los términos "masa" y "peso" de manera completamente intercambiable, pero todavía los usamos mal. De hecho, cuando hice la grabación del podcast que mencioné anteriormente, tuvimos que hacer hasta siete tomas de una sola oración porque seguía usando los términos mal, ¡aunque estaba explicando cómo usarlos correctamente!
Esto es importante porque su pregunta en realidad está mal formulada: la pregunta es: "¿Cómo determinamos la masa de un planeta?"
Para pesar un planeta, los científicos necesitan saber dos cosas:
El tiempo que tarda un objeto en orbitar un planeta depende de su distancia al planeta y de la masa del planeta.
NASA Space Place: ¿Cómo pesamos los planetas?
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