Comment peser une planète?
Comment peser une planète?
Mon ami m'a demandé comment les scientifiques pèsent une planète. Il n'est pas issu de la science, je dois donc lui faire comprendre par une simple analogie. Comment puis-je lui expliquer?
Réponses
L'autre réponse publiée est correcte, mais permettez-moi d'essayer de l'expliquer un peu plus en détail et de vous corriger selon vos termes. J'ai fait une interview sur ce sujet pour un podcast il y a deux jours, donc c'est frais dans mon esprit.
Réponse: La façon dont nous déterminons la masse d' un objet astronomique se fait par la forme de Newton de la troisième loi de Kepler, qui relie la distance entre un autre objet en orbite autour de l'objet en question et la distance qu'il orbite à partir de cet objet, et quelques constantes mathématiques et physiques fondamentales. Pour ce faire, il faut qu'un objet «test» plus petit soit en orbite autour de l'objet dont vous voulez mesurer la masse.
Conceptuellement, cela signifie que nous ne pouvons mesurer la masse d'un objet que via l'effet de cette masse sur un autre objet.
Qu'est-ce que ça veut dire? La troisième loi de Kepler stipule que le temps qu'il faut à un objet pour en orbite autour d'un autre, au carré, est proportionnel au demi-grand axe de son orbite autour de cet objet, au cube. Nous utilisons souvent cela dans notre système solaire en unités de distance en UA (1 UA = distance moyenne de la Terre par rapport au Soleil) et en années terrestres. Donc, avant de savoir quelle est la taille d'une UA en km, nous savions toujours que Jupiter faisait environ 5,2 UA, et il a fallu 11,9 années terrestres pour faire le tour du soleil.
La troisième loi de Kepler a été formée en 1619, mais il a fallu la loi de la gravitation de Newton en 1687 pour fournir la physique derrière elle. Cette physique a changé le «est proportionnel à» en «égal» et a ajouté 4π 2 / G * M dans la formule. Nous savons ce que signifie 4, nous savons ce que signifie π. M est la masse du gros objet sur lequel quelque chose est en orbite. C'est ce que nous voulons résoudre. Et, en supposant que nous pouvons observer un objet en orbite, nous connaissons sa période et sa distance par rapport à l'objet principal pour lequel nous voulons résoudre.
Donc, tout ce que nous avons à faire est de trouver G, la constante gravitationnelle. La gravité est vraiment faible, donc c'est vraiment difficile à mesurer, et il a fallu près de 100 ans pour qu'elle soit calculée avec un peu de précision, et la première mesure réelle que les gens aiment (faite par Cavendish) n'a eu lieu qu'en 1798.
Avec une valeur pour "grand G" comme on l'appelle souvent en cours de physique, vous pouvez maintenant calculer la masse de n'importe quel objet, dans l'espace. Tant qu'il a un autre objet en orbite autour de lui. Ce plus petit objet est nécessaire afin que nous puissions utiliser la troisième loi de Kepler pour observer l'orbite de cet objet autour du grand que nous voulons mesurer. Si nous n'avons pas ce plus petit objet en orbite, nous ne pouvons pas * mesurer la masse du grand. Ainsi, nos premières mesures raisonnables de la masse de Pluton ne sont intervenues qu'une fois que son principal satellite, Charon, a été découvert. Seuls les astéroïdes avec des lunes ont des estimations de masse raisonnables.
* Il existe un peu d'autres moyens de le faire. La première consiste à mettre un satellite artificiel en orbite, donc une fois que Dawn a mis en orbite Vesta, puis Cérès, nous pourrions obtenir leurs masses. Une autre façon est une fronde gravitationnelle autour d'un objet, comme envoyer une sonde au-delà de Vénus, nous pouvons voir à quel point Vénus dévie la sonde et obtenir sa masse. Nous pouvons également surveiller les perturbations gravitationnelles dans un système causées par des masses plus petites et déterminer ce que ces masses plus petites doivent être pour provoquer ces perturbations, mais c'est beaucoup plus difficile (mais cela a conduit à certaines premières estimations de la masse de Vénus).
L'essentiel est toujours que, conceptuellement, vous ne pouvez le faire qu'en mesurant les effets (de masse) de l'objet sur un autre objet.
Termes : La masse est une propriété fondamentale de la matière, c'est une façon de penser à la quantité de "substance" qui s'y trouve. Il a les unités familières de grammes (ou kilogrammes) ou de livres. Le poids est différent. Le poids est la façon dont la masse agit en présence d'une accélération, comme la gravité. Il a les unités métriques de Newtons.
En présence d'une accélération gravitationnelle fondamentalement identique - la surface de la Terre - la masse et le poids sont proportionnels car l'accélération gravitationnelle est la même. Donc, ma masse - qui ne change pas (beaucoup) - va signifier que je pèse le même poids où que je sois sur la surface de la Terre. Si ma masse est de 100 kg, alors je pèserai environ 1000 N sur Terre. Si je vais sur la Lune, ma masse est toujours de 100 kg, mais je serai dans un champ gravitationnel différent et je pèserai environ 160 N.
Parce que mon poids et ma masse sont proportionnels pratiquement n'importe où sur Terre, nous utilisons les termes «masse» et «poids» de manière totalement interchangeable, mais nous les utilisons encore mal. En fait, quand j'ai fait l'enregistrement de podcast que j'ai mentionné ci-dessus, nous avons dû faire jusqu'à sept prises d'une seule phrase parce que je continuais à utiliser les termes mal, même si j'expliquais comment les utiliser correctement!
Ceci est important parce que votre question est en fait mal formulée: La question est: "Comment pouvons-nous déterminer la masse d'une planète?"
Pour peser une planète, les scientifiques doivent savoir deux choses:
- Combien de temps il faut aux objets pour orbiter autour de la planète
- À quelle distance ces objets sont de la planète.
Le temps nécessaire à un objet pour orbiter autour d'une planète dépend de sa distance par rapport à la planète et de la masse de la planète.
NASA Space Place: Comment pesons-nous les planètes?
Nous connaissons déjà la densité de divers matériaux. Connaissant la densité des matériaux en fonction de son volume approximatif, nous obtenons une estimation de la masse globale.
De plus, puisque la gravité est proportionnelle à la masse, nous pouvons déterminer l'accélération de son mouvement.
La loi de Newton de la gravitation universelle nous dit que la force d'attraction entre deux objets est proportionnelle au produit de leurs masses divisé par le carré de la distance entre leurs centres de masse.