¿Tienen los astrónomos una forma sistemática y establecida de decir qué orbita o no qué? (por ejemplo, "Marte orbita alrededor de la Tierra")

Es posible que no haya nada "oficial", solo el uso técnico del lenguaje. Por ejemplo, Phil Plait señala que utilizó incorrectamente la palabra "órbita" para el movimiento de la sonda Hayabusa , que no orbita el asteroide Ryugu. Pero se cierne sobre la superficie.

Entonces, ¿qué quiere decir Phil cuando habla de orbitar? Resumo el significado así: el objeto A está en órbita alrededor del objeto B si A se mueve alrededor de B (es decir, la verdadera anomalía de A aumenta de 0 a 360 grados de manera bastante regular) principalmente como resultado del campo gravitatorio de B.

Entonces, aunque Marte se mueve alrededor de la Tierra, su movimiento no se debe principalmente al campo gravitatorio de la Tierra, por lo que no está en órbita. Sin embargo, el movimiento de la Luna se debe principalmente al campo gravitatorio de la Tierra. Está en órbita alrededor de la Tierra.

La luna también está en órbita alrededor del sol: se mueve alrededor del sol y la razón de este movimiento es principalmente el campo gravitacional del sol.

Un cuerpo en el punto Tierra Sol L2 no está en órbita alrededor de la Tierra (está fijo con respecto a la Tierra) Está en órbita alrededor del sol. Un cuerpo en el punto Tierra Luna L2 (que probablemente es muy inestable) está orbitando la Tierra y girando alrededor del sol. Su movimiento relativo a la Tierra se debe principalmente a la Tierra (y en segundo lugar a la Luna). Su movimiento relativo al sol se debe a la gravedad del sol.

Cruithne está en resonancia 1:1 con la Tierra, pero su posición no se debe principalmente a la gravedad de la Tierra. Está en órbita alrededor del sol, no de la Tierra.

Hayabusa no está en órbita alrededor de un asteroide, mantiene la posición mediante propulsores. De manera similar, un avión Jumbo está volando, no en órbita, su movimiento no se debe principalmente a la gravedad.

Esta idea puede agudizarse con la noción de una esfera de Hill . Dentro de la esfera de Hill, un cuerpo orbitará. Fuera de él, el cuerpo no orbitará.

Esta es una buena pregunta que me hizo pensar más profundamente sobre la palabra "órbita". La respuesta que menciona baricentros tiene un punto, pero al final, se trata un poco de marcos de referencia.

Tomemos una declaración relativamente poco controvertida y hagámosla controvertida.

"La Luna gira alrededor de la Tierra".

Nunca hubiera cuestionado esta afirmación, excepto que una vez que tracé la trayectoria de la Luna y la Tierra juntas en relación con la SSB, me di cuenta de que la Luna en realidad está orbitando alrededor del sol (SSB) y simplemente está muy perturbada porque le sucede a estar muy cerca de la influencia gravitacional de la Tierra.

Si nos alejamos, diríamos que todos estamos simplemente orbitando el núcleo galáctico y simplemente porque estamos cerca del Sol, nuestra órbita galáctica está muy perturbada por el Sol.

Sin embargo, dependiendo de los tamaños relativos de las influencias, podemos hacer inferencias prácticas (sensibles).

Entonces, ¿"Marte orbita alrededor de la Tierra"?

No, porque si colocamos un marco de referencia en Marte e intentamos explicar el movimiento de la Tierra y el Sol, obtenemos resultados sin sentido.

Si colocamos un marco de referencia en el Sol, o en la SSB y luego tratamos de explicar el movimiento de la Tierra y el Sol, se vuelve mucho más claro.

¿"La Luna gira alrededor de la Tierra"?

En realidad, sí, si colocamos una referencia en la Tierra, podemos explicar el movimiento de la Luna con bastante sensatez.

Etcétera.

Aquí hay un artículo que está escrito decentemente sobre tales marcos de preguntas de referencia: https://www.wired.com/2012/12/does-the-moon-orbit-the-sun-or-the-earth/

Aquí está el video sugerido por @uhoh:
https://www.youtube.com/watch?v=z52WWLE8bBo

Tomemos como ejemplo los sistemas estelares binarios.

Circumbinario, el planeta gira alrededor de dos estrellas , o se podría decir que gira alrededor de su centro de masa o baricentro.

También podemos imaginar una estrella con una enana marrón/júpiter pesado orbitándola y un planeta orbitando un poco más lejos. No hay un punto preciso en el que la enana marrón/Júpiter pesado deje de ser un sistema binario y se convierta en otro planeta orbitando la estrella. Debido a que no hay un lugar preciso donde cambia el sistema, me sorprendería mucho si hay una respuesta oficial verificable. Apostaría dinero a que no lo hay.

La astronomía está llena de situaciones como esta. A veces se pueden establecer definiciones, como las calificaciones para ser un planeta. A veces es más difícil establecer una definición precisa, por ejemplo, ¿cuál es el tamaño más pequeño que puede tener una luna?

No hay un punto de cambio preciso donde un planeta que orbita dos estrellas se convierte en dos planetas que orbitan una estrella y no es necesario. Está bien decir que una enana marrón de masa suficientemente baja podría ser un Júpiter pesado.

Es más fácil decir que Marte gira alrededor del Sol, pero en cierto sentido, Marte gira alrededor del centro de masa del Sol + Venus + la Tierra y la Luna (y todas las cosas pequeñas allí también). Ambas declaraciones tienen verdad en ellos.

Venus y la Tierra juntos, cuando se alinean, crean un baricentro que está a solo unos 70 000 km del centro del Sol, o alrededor del 0,03 % de la distancia entre Marte y el Sol (un poco menos de 1 parte en 3000).

Creo (pero no puedo hacer los cálculos) que es más exacto decir que Marte orbita el baricentro Venus/Tierra/Sol más cerca de lo que orbita el Sol. Es probable que ambos se desvíen de una órbita perfecta de Kepler hasta cierto punto. La masa de Marte también juega un papel en la desviación de una órbita de Kepler pura, al menos en términos de velocidad orbital, y están las perturbaciones de los planetas exteriores, Júpiter y Saturno principalmente, y la dilatación relativista también tiene un pequeño efecto (más notable con Mercurio).

Cuando la NASA quiere aterrizar una nave en Marte, deben tener en cuenta la influencia gravitacional de varios planetas, no solo de Marte que orbita alrededor del Sol, aunque deduzco que los primeros aterrizajes lunares pudieron ignorar los efectos relativistas. Con Marte, es probable que necesiten tener en cuenta la relatividad.

También es importante recordar convertir al sistema métrico cuando sea necesario, pero estoy divagando.

Una forma sería mirar la fase del movimiento radial de cada objeto, es decir, hacer una curva de velocidad radial para cada objeto. Las cosas en órbita entre sí tendrán sus movimientos en antifase entre sí. Por lo tanto, cuando un objeto se mueve en una dirección, el otro debe moverse en la dirección opuesta mientras orbitan su centro de masa. La cantidad de movimiento dependerá de las masas relativas, pero el signo del movimiento debe ser opuesto para cada objeto.

Si siguió la órbita de la Tierra en relación con la de Marte, a veces se moverán en direcciones opuestas, pero a veces se moverán en la misma dirección. Por lo tanto, no pueden estar en órbita entre sí. El caso Tierra/Luna será el mismo, pero primero hay que restar el efecto Tierra/Sol.

¿Qué pasaría si te dijera que técnicamente hablando, la Luna no gira alrededor de la Tierra, y la Tierra no gira alrededor del Sol, y que el Sol gira alrededor de algo que no es nada? Bienvenido al mundo de los baricentros, que parecen pasarse por alto en la ciencia de la escuela primaria, aunque por una buena razón. Sería un bocado para los estudiantes aprender.

En el sistema Tierra-Luna, la Tierra no gira alrededor de la Luna y la Luna no gira alrededor de la Tierra. Más bien, orbitan un centro de masa común, denominado baricentro Tierra-Luna, o simplemente baricentro si la situación no es ambigua (como verá más adelante, puede tener varios baricentros).

La Luna tira de la Tierra con la misma fuerza que la Tierra tira de la Luna. Por lo tanto, la órbita se parece más a esto:

La Luna tiene aproximadamente el 1,2% de la masa de la Tierra. Por lo tanto, la Luna debería orbitar aproximadamente 83x más lejos (es solo$\frac{100}{1.2}$) del baricentro que la Tierra. El semieje mayor de la Luna mide 385 000 km. Por lo tanto, el semieje mayor de la Tierra alrededor del baricentro Tierra-Luna (no el Sol) es de aproximadamente 4500 km. Y ese es el caso, como se muestra a continuación. El símbolo de diamante es lo que usa Space Engine para los símbolos de baricentro.

Si hacemos zoom vemos la órbita de la Tierra alrededor del baricentro:

Debido a que la Luna tiene una masa tan baja en comparación con la Tierra, el baricentro en realidad está ubicado dentro de la Tierra. A medida que la Luna se aleje lentamente de la Tierra en los próximos cientos de millones de años, el baricentro abandonará lentamente la superficie de la Tierra.

¿Puede el baricentro estar ubicado fuera del planeta? Seguro que puede. El sistema Plutón-Caronte se parece un poco a esto:

En Space Engine se ve así (el brillo aumentó para que puedas verlo):

¿Qué pasa con el sistema Sol-Tierra? Bueno, el problema es que el Sol también se ve afectado por todos los demás planetas del sistema solar. La suma de todas estas interacciones es donde se ubica el Baricentro Sistémico Solar. Sin embargo, no viaja en un círculo agradable, pero Júpiter lo afecta principalmente, ya que Júpiter es el planeta más masivo del Sistema Solar. Se parece a esto:

¿Qué hay de las estrellas binarias? Bueno, es más o menos lo mismo. Aquí está$\alpha$Centauro.

Ok, lo último, ¿qué hay de los sistemas con 3 o más estrellas? Bueno, aquí está la cosa. Los baricentros pueden orbitar otros baricentros. El sistema Castor es un sistema séxtuple (6). Esto es lo que parece:

Esos tres puntos de luz son en realidad dos estrellas que orbitan muy juntas, de modo que parecen una sola estrella. Entonces, para responder a su pregunta, no, en realidad no orbitan nada, sino que orbitan un baricentro común, y determinamos qué orbita qué al ver si gira alrededor de ese baricentro.