Nebeská mechanika je vedný odbor ležiaci na rozhraní medzi astronómiou a teoretickou mechanikou, ktorý sa zaoberá popisom pohybu kozmických telies vesmírom a určovaním ich dráh. Metódy klasickej nebeskej mechaniky sú založené na využití Newtonovho zákona všeobecnej gravitácie a jeho troch pohybových zákonov, s pomocou ktorých možno odvodiť takmer všetky pohyby planét v Slnečnej sústave; iba v špeciálnych prípadoch (napr. stáčanie perihélia dráhy Merkúru) je potrebné prihliadnuť na relativistické efekty. Hlavnou úlohou nebeskej mechaniky je výpočet polôh nebeských telies v budúcnosti na základe stanovených elementov dráhy z minulého pozorovania. Až do roku 1957 sa toto týkalo iba prirodzených kozmických telies (Mesiaca, planét, planétok, komét a zložiek dvojhviezd a násobných hviezd); od štartu Sputnika 1 sa nebeská mechanika začala zaoberať aj umelými kozmickými telesami a dnes je neoddeliteľnou súčasťou technického odboru astrionika. Tá na rozdiel od klasickej nebeskej mechaniky zohľadňuje aj iné sily, než gravitačné, najmä pôsobenie ťahu motorov, vplyv aerodynamického odporu a tlaku žiarenia.

Najjednoduchšou úlohou, ktorú nebeská mechanika rieši, je tzv. problém dvoch telies, ktorý má analytické riešenie, vedúce k zisteniu, že pohyb telies okolo hmotného stredu (ťažiska) sústavy prebieha po kužeľosečke. Tento problém, obmedzujúci sa iba na dve guľovo symetrické hmotné telesá, ktorá môžeme z kinematického hľadiska nahradiť hmotnými bodmi, je v skutočnosti abstrakciou a nikde vo vesmíre neexistuje. Problém n telies, ktorý je reálny, nemá s výnimkou niektorých špeciálnych prípadov analytické riešenie a musí byť riešený metódami numerickej matematiky; plné rozvinutie týchto metód umožnil až nástup počítačov.

História

Prvopočiatky nebeskej mechaniky je možné položiť už do mladšej doby kamennej, keď boli postavené prvé megalitické stavby (napr. Stonehenge v južnom Anglicku), slúžiace zrejme na sledovanie pohybu Mesiaca a na predpovedanie zatmení Mesiaca a Slnka. Tiež starí Egypťania využívali astronomické pozorovania na predpovedanie nílskych záplav.

Prvé pokusy o teoretické zvládnutie popisu pohybu Slnka a planét nachádzame v antickom Grécku. Grécki filozofi, najmä Platón, vedení snahou o čo najväčšiu harmóniu vo Vesmíre, sa snažili popísať pohyb nebeských telies pomocou rovnomerného kruhového pohybu s tým, že stredom Vesmíru je Zem. Do maximálnej dokonalosti doviedol túto predstavu Ptolemaios. Ptolemaiova sústava sa stala takmer na dve tisícročia jedinou všeobecne prijímanou teóriou nebeskej mechaniky.

Ešte pred ním však na základe štúdia zatmenia Mesiaca a Slnka a ďalších empirických pozorovaní alexandrijsky filozof Aristarchos zo Samu dospel k názoru, že Slnko je oveľa väčšie ako Zem. Preto došiel k logickému záveru, že stredom Vesmíru musí byť Slnko a jeho denný pohyb po oblohe vysvetlil rotáciou Zeme okolo osi. Tento heliocentrický názor však upadol do zabudnutia a v podstate ho vzkriesil až koncom 15. storočia Mikuláš Kopernik svojou heliocentrickou sústavou. Kompromisné riešenie, v ktorom okolo Zeme obiehal Mesiac a Slnko a okolo Slnka ostatné planéty, navrhol Tycho Brahe, pôsobiaci aj v Prahe. Jeho, na tú dobu veľmi presné pozorovania pohybu planét umožnili ďalšiemu astronómovi pôsobiacemu na dvore Rudolfa II., Johannesovi Keplerovi, odvodiť tri po ňom pomenované základné zákony pohybu planét. Jeho hlavným prínosom bolo vyvrátenie Platónovho názoru, že nebeské telesá sa môžu pohybovať iba po kružniciach.

Významnou podporou heliocentrického názoru bol Galileov objav štyroch veľkých mesiacov planéty Jupiter v roku 1610; tie predstavovali Slnečnú sústavu v malom. Ďalšie experimenty, týkajúce sa voľného pádu a zotrvačnosti telies, ktoré uskutočnil tiež Galileo Galilei, dali dostatočný materiál Newtonovi, ktorý tak mohol formulovať svoje tri pohybové zákony a zákon všeobecnej gravitácie. Ich aplikácia v nebeskej mechanike ukázala, že hnacou silou pohybu planét je gravitácia. Pritom opis pohybu je v heliocentrickom systéme jednoduchší, ako v geocentrickom systéme. Zásadným dôkazom správnosti Newtonových základov nebeskej mechaniky bola Halleyova predpoveď návratu kométy, ktorá bola neskôr po ňom pomenovaná a Leverrierova predpoveď existencie planéty Neptún.

Začiatkom 20. storočia sa dostala klasická nebeská mechanika do krízy, pretože nedokázala zmysluplne vysvetliť zmienené stáčanie Merkúrovho perihélia. Tento problém bol vyriešený až všeobecnou teóriou relativity. Napriek tomu možno metódy klasickej nebeskej mechaniky aj dnes používať na riešenie bežných úloh v dynamike telies slnečnej sústavy. V poslednej dobe sa však objavili odchýlky v dráhach kozmických sond Pioneer 10 a Pioneer 11, pre ktoré dodnes nemáme rozumné vysvetlenie.

Fyzikálny portál Astronomický portál