Tính toán Tiến động cận điểm

Nhiều nhân tố khác nhau có thể dẫn tới tiến động của cận điểm, chẳng hạn hấp dẫn tuơng đối rộng, các mômen tứ cực sao, biến dạng thủy triều tương hỗ của sao-hành tinh, và ảnh hưởng nhiễu loạn từ các hành tinh khác.[6]

Đối với Sao Thủy, tốc độ tiến động điểm cận nhật do các hiệu ứng tương đối rộng là 43″ (giây cung) mỗi thế kỷ. Trong khi đó tiến động do nhiễu loạn hấp dẫn từ các hành tinh khác trong hệ Mặt Trời là 532″ mỗi thế kỷ, còn độ cầu dẹt của Mặt Trời (mômen tứ cực) gây ra đóng góp rất nhỏ 0,025″ mỗi thế kỷ.[7][8]

Theo cơ học cổ điển, nếu các ngôi sao và hành tinh đều được coi là các khối hoàn toàn hình cầu thì chúng sẽ tuân theo quy luật khoảng cách bình phương nghịch đảo 1/r2 đơn giản, liên hệ lực theo khoảng cách và do đó sẽ thực hiện quỹ đạo elip kín theo định lý Bertrand. Các hiệu ứng do khối lượng không phải là hình cầu được gây ra bởi tác động của thế bên ngoài: thế ly tâm của các thiên thể quay gây ra sự dẹt giữa các cực và lực hấp dẫn của một khối lượng gần đó sẽ nâng phình thủy triều. Biến dạng phình do sự quay và các phình thủy triều tổng cộng tạo ra các trường tứ cực hấp dẫn (1/r3), dẫn đến tiến động của quỹ đạo.

Đối với tiến động cận điểm của các thiên thể Sao Mộc rất nóng và cô lập, thành phần phình thủy triều của hành tinh chiếm phần lớn nhất và hơn một bậc độ lớn so với ảnh hưởng của hiệu ứng tương đối rộng và mômen tứ cực sao. Kết quả xấp xỉ của độ phình thủy triều rất hữu ích để tìm hiểu cấu trúc bên trong của các hành tinh như vậy. Với các hành tinh có chu kỳ quỹ đạo ngắn nhất, cấu trúc trong của hành tinh gây ra tiến động khoảng vài độ mỗi năm, chẳng hạn lên tới 19,9° mỗi năm đối với WASP-12b.[9][10]

Thuyết tương đối rộng

Sự tiến động cận điểm của hành tinh Sao Thủy đã được chú ý bởi nhà thiên văn Urbain Le Verrier người Pháp vào khoảng giữa thế kỷ 19 và có thể được giải thích bởi thuyết tương đối rộng của Einstein.

Einstein đã chứng tỏ rằng đối với một hành tinh, với bán trục lớn của quỹ đạo elip là a, độ lệch tâm quỹ đạo e, và chu kỳ quỹ đạo T, tiến động cận điểm do các hiệu ứng tương đối trong một chu kỳ quay bằng đơn vị radians

ε = 24 π 3 a 2 T 2 c 2 ( 1 − e 2 ) {\displaystyle \varepsilon =24\pi ^{3}{\frac {a^{2}}{T^{2}c^{2}\left(1-e^{2}\right)}}}

trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không.[11] Trong trường hợp của Sao Thủy, bán trục lớn là khoảng 579×1010 m, độ lệch tâm của quỹ đạo này là 0,206 và chu kỳ quay quanh Mặt Trời là 87,97 ngày hay 76×106 s. Từ những giá trị trên và tốc độ ánh sáng (bằng ~3×108 m/s), có thể tính được tiến động cận điểm trong một chu kỳ quỹ đạo là ε = 5028×10−7 radian (288×10−5 độ hay 0,104″). Trong thời gian 100 năm, Sao Thủy hoàn thành xấp xỉ 415 vòng quay quanh Mặt Trời, và do đó trong thời gian ấy, tiến động của điểm cận nhật do hiệu ứng tương đối là xấp xỉ 43″, khớp gần đúng với những giá trị quan trắc được mà trước đó chưa được giải thích.