Введение

Небесная механика – это раздел астрономии, изучающий движение объектов в космосе. Исторически небесная механика применяла принципы физики (классической механики) к астрономическим объектам, таким как звезды и планеты, для вычисления эфемерид.

Исаак Ньютон

Исаак Ньютон (25 декабря 1642 года – 31 марта 1727 года) считается автором идеи о том, что движение небесных тел, таких как планеты, Солнце и Луна, и движение объектов на Земле, например, пушечных ядер и падающих яблок, можно описать одними и теми же физическими законами. В этом смысле он объединил небесную и земную динамику. Используя закон всемирного тяготения Ньютона, доказательство законов Кеплера для случая круговой орбиты является простым. Эллиптические орбиты требуют более сложных вычислений, которые Ньютон представил в своих «Математических началах натуральной философии» (Principia).

Джозеф-Луи Лагранж

После Ньютона Лагранж (25 января 1736 – 10 апреля 1813) пытался решить задачу трёх тел, проанализировал устойчивость планетных орбит и открыл существование точек Лагранжа. Лагранж также переформулировал принципы классической механики, уделяя больше внимания энергии, чем силе, и разработал метод описания любой орбиты – даже параболической и гиперболической – с помощью одного уравнения в полярных координатах. Это полезно для расчёта поведения планет и комет. В последнее время этот метод также стал применяться для расчёта траекторий космических аппаратов.

Саймон Ньюкомб

Саймон Ньюкомб (12 марта 1835 года – 11 июля 1909 года) — канадско-американский астроном, пересмотревший таблицу положений Луны, составленную Петером Андреасом Хансеном. В 1877 году, при поддержке Джорджа Уильяма Хилла, он заново рассчитал все основные астрономические константы. После 1884 года он совместно с А. М. В. Даунингом разработал план для разрешения значительной международной путаницы в этой области. К моменту участия в конференции по стандартизации в Париже, Франция, в мае 1886 года, международное сообщество пришло к согласию, что все эфемериды должны основываться на расчетах Ньюкомба. Позднее, на конференции в 1950 году, константы Ньюкомба были окончательно утверждены в качестве международного стандарта.

Альберт Эйнштейн

Альберт Эйнштейн (14 марта 1879 года – 18 апреля 1955 года) объяснил аномальную прецессию перигелия Меркурия в своей статье 1916 года «Основы общей теории относительности». Это заставило астрономов осознать, что ньютоновская механика не обеспечивает максимальной точности. Наблюдались бинарные пульсары, первый из которых был обнаружен в 1974 году, чьи орбиты не только требуют применения общей теории относительности для их объяснения, но и чья эволюция подтверждает существование гравитационного излучения, открытие, за которое была присуждена Нобелевская премия по физике в 1993 году.

Теория возмущения

Теория возмущений включает в себя математические методы, используемые для нахождения приближенного решения задачи, которую невозможно решить точно. (Она тесно связана с методами, применяемыми в численном анализе, корни которых уходят в древность.) Первым применением современной теории возмущений стало решение математических проблем небесной механики, которые иначе оставались бы неразрешимыми: решение Ньютона для орбиты Луны, движущейся заметно иначе, чем простое кеплеровское эллипсо из-за конкурирующего гравитационного притяжения Земли и Солнца. Методы возмущений начинаются с упрощенной формы исходной задачи, тщательно выбранной таким образом, чтобы ее можно было решить точно. В небесной механике это обычно кеплеровский эллипс, верный при наличии только двух гравитирующих тел (например, Земли и Луны), или круговая орбита, правильная лишь в особых случаях движения двух тел, но часто достаточно точная для практического применения. Затем решаемая, но упрощенная задача "возмущается", чтобы уравнения изменения положения объекта стали ближе к значениям, соответствующим реальной задаче, например, путем учета гравитационного притяжения третьего, более удаленного тела (Солнца). Незначительные изменения, возникающие в результате членов в уравнениях – которые, в свою очередь, также могут быть упрощены – используются в качестве поправок к исходному решению. Поскольку упрощения вносятся на каждом шаге, поправки никогда не бывают идеальными, но даже один цикл поправок часто дает значительно более точное приближенное решение реальной задачи. Нет необходимости ограничиваться одним циклом поправок. Частично скорректированное решение может быть повторно использовано в качестве новой отправной точки для очередного цикла возмущений и коррекций. В принципе, для большинства задач переработка и уточнение предыдущих решений для получения нового поколения более точных решений может продолжаться неопределенно долго, до любой желаемой конечной степени точности. Основная трудность метода заключается в том, что поправки обычно постепенно делают новые решения гораздо более сложными, поэтому каждый цикл становится значительно труднее в реализации, чем предыдущий. По преданию, Ньютон говорил о проблеме орбиты Луны: "Она вызывает у меня головную боль". Эта общая процедура – начало с упрощенной задачи и постепенное добавление поправок, приближающих исходную точку скорректированной задачи к реальной ситуации – является широко используемым математическим инструментом в передовых науках и инженерии. Это естественное развитие метода "угадай, проверь и исправь", который испокон веков применялся при работе с числами.

Справочная система

Проблемы в небесной механике часто формулируются в упрощенных системах отсчета, таких как синодическая система отсчета, применяемая к задаче трех тел, где начало координат совпадает с барицентром двух более массивных небесных тел. Другие системы отсчета для n-тельных симуляций включают те, в которых начало координат следует за центром масс тела, например, гелиоцентрическая и геоцентрическая системы отсчета. Выбор системы отсчета обуславливает возникновение многих явлений, включая кажущееся ретроградное движение верхних планет при наблюдении из геоцентрической системы отсчета.