Γιατί οι δορυφόροι δεν πέφτουν;

Αν πετάξεις μια πέτρα ευθεία μπροστά, θα πέσει στο έδαφος. Αν όμως μπορούσες να τη ρίξεις τόσο γρήγορα ώστε, όσο πέφτει, η Γη να… καμπυλώνει από κάτω της, η πέτρα δεν θα έπεφτε ποτέ. Θα έμπαινε σε τροχιά. Αυτό είναι όλος ο μηχανισμός των δορυφόρων: μια διαρκής πτώση που δεν τελειώνει.

Στη γενική σχετικότητα, τα σώματα δεν έλκονται από «δύναμη βαρύτητας» όπως τη φανταζόταν ο Νεύτωνας - έχουμε ήδη εξηγήσει ότι στην πραγματικότητα δεν υπάρχει καν. Αντίθετα, κινούνται κατά μήκος γεωδαισιακών τροχιών – δηλαδή τις «ευθείες» (ή και όχι τόσο...) γραμμές του καμπυλωμένου (κατά τα λοιπά) χωροχρόνου.

Για τον ίδιο τον δορυφόρο λοιπόν, η κίνηση είναι ευθύγραμμη και ομαλή: δεν αισθάνεται επιτάχυνση και έχει σταθερή ταχύτητα (γι’ αυτό και οι αστροναύτες στον ISS βρίσκονται σε "μικροβαρύτητα"). Για εμάς όμως, που είμαστε πάνω στη Γη και τη βλέπουμε να καμπυλώνει τον χωροχρόνο γύρω της, η γεωδαισιακή τροχιά του μοιάζει με κυκλική ή ελλειπτική τροχιά. Είναι η ίδια λογική με το αεροπλάνο στην πραγματικότητα: όταν πετά, νομίζουμε ότι κινείται ευθύγραμμα πάνω από τον πλανήτη, ο πλανήτης όμως είναι σφαιρικός, άρα το αεροπλάνο κάνει ένα τόξο.

Η «δουλειά» έγινε ήδη κατά την εκτόξευση. Η αρχική οριζόντια ταχύτητα σε συγκεκριμένο ύψος είναι αυτή που αντισταθμίζει τη διαρκή πτώση. Στο κενό δεν υπάρχει τριβή για να τον φρενάρει, άρα μπορεί να διατηρεί την τροχιά του για δεκαετίες. Μόνο οι δορυφόροι σε πολύ χαμηλά ύψη (~300–400 km) χρειάζονται διορθώσεις, γιατί εκεί υπάρχει ακόμα ένα ίχνος ατμοσφαιρικής αντίστασης που σταδιακά λόγω τριβής, τους ελαττώνει την ταχύτητα και τελικά τους «ρίχνει» (orbital decay).

Η τροχιακή αρχιτεκτονική χωρίζεται σε 3 κατηγορίες:

• Χαμηλή τροχιά (LEO) για δορυφόρους παρατήρησης και επικοινωνιών.

• Μεσαία τροχιά (MEO) για τα GPS.

• Γεωστατική τροχιά (GEO) για τους «σταθερούς φρουρούς» που παρακολουθούν πάντα το ίδιο σημείο.

Ο χώρος εκεί πάνω είναι τόσο αχανής που οι πιθανότητες σύγκρουσης μεταξύ τους είναι απίστευτα μικρές. Εκατομμύρια κομμάτια διαστημικών σκουπιδιών όμως κινούνται σε εκείνο το χώρο και προσπαθούμε να χαρτογραφούνται. Αν κάποιο πάει να πλησιάσει, ο δορυφόρος κάνει μια μικρή διόρθωση στην πορεία του.

Το μεγάλο ρίσκο δεν είναι ότι οι τροχιές θα καταρρεύσουν από μόνες τους, αλλά αυτή η συσσώρευση διαστημικών σκουπιδιών. Ο Donald Kessler της NASA περιέγραψε το 1978 ένα σενάριο αλυσιδωτής αντίδρασης: αν δύο μεγάλα αντικείμενα συγκρουστούν, τα θραύσματα μπορούν να χτυπήσουν άλλα, δημιουργώντας εκθετική αύξηση σκουπιδιών. Το αποτέλεσμα θα μπορούσε να κάνει κάποιες τροχιές πρακτικά αχρησιμοποίητες για δεκαετίες.

Η επαλήθευση της γενικής σχετικότητας στην πράξη.

Φαίνεται πιο καθαρά σε φαινόμενα ακριβείας:

• Τα ρολόγια σε δορυφόρους GPS «τρέχουν» ταχύτερα λόγω ασθενέστερης βαρύτητας, αλλά ταυτόχρονα και ελαφρώς βραδύτερα λόγω υψηλής ταχύτητας (από ειδική σχετικότητα). Το καθαρό αποτέλεσμα είναι διαφορά ~38 μs την ημέρα, χωρίς να ληφθεί υπόψιν η απαραίτητη διόρθωση, η ακρίβεια θέσης θα χανόταν σε λίγα λεπτά, τα οχήματα στη Γη λοιπόν θα είχαν αποκλίσεις στη θέση τους από μερικά μέτρα μέχρι μέχρι χιλιόμετρα!

• Οι δορυφόροι ακολουθούν γεωδαισιακές, όχι «αναγκαστικά κυκλικές» τροχιές: μπορεί να είναι ελλειπτικές ή να παρουσιάζουν προπεριήλιση (προχώρηση περιγείου), κάτι που είναι καθαρά σχετικιστικό φαινόμενο.

Ίσως τελικά οι δορυφόροι μας μοιάζουν λίγο: κρατιούνται σε τροχιά όχι γιατί έχουν ατέλειωτα καύσιμα, αλλά γιατί κάποτε τους δόθηκε η σωστή ώθηση. Και από τότε, απλώς ακολουθούν την αόρατη καμπύλη που ορίζει η έλξη ενός απομακρυσμένου κέντρου. Μπορεί να περνούν χρόνια, μπορεί να συναντούν χιλιάδες σωματίδια στον δρόμο τους, κι όμως συνεχίζουν.

Και αν κοιτάξεις τον ουρανό ένα βράδυ, ίσως αναρωτηθείς: μήπως κι εμείς, σε έναν αόρατο ιστό από χωροχρόνο, δεν κάνουμε τίποτε άλλο από το να ψάχνουμε ποια καμπύλη μας κρατάει σε τροχιά γύρω από αυτό που αγαπάμε;