Na Merkurym Słońce potrafi zatrzymać się na niebie i zacząć się cofać
Merkury obraca się wokół własnej osi w tym samym kierunku, w którym okrąża Słońce, ale jego orbita jest mocno eliptyczna. Gdy planeta znajduje się blisko Słońca, porusza się po orbicie tak szybko, że przez pewien czas zmiana kierunku ku Słońcu może wyprzedzać obrót planety. Dla obserwatora w odpowiednim miejscu oznacza to niezwykły widok: pozorny ruch Słońca po niebie zwalnia, zatrzymuje się, odwraca, a później znów rusza w zwykłym kierunku. W niektórych rejonach Merkurego Słońce może nawet krótko wzejść, zajść i ponownie wzejść. To nie sztuczka optyczna, lecz konsekwencja połączenia wolnej rotacji i bardzo zmiennej prędkości orbitalnej.
Niebo, które na chwilę zmienia zdanie
Na Ziemi przywykliśmy do prostego rytmu: Słońce wschodzi, przesuwa się w jednym kierunku i zachodzi. Na Merkurym ten schemat może się załamać. NASA opisuje miejsca, z których poranne Słońce wyglądałoby tak, jakby na chwilę wzeszło, następnie cofnęło się pod horyzont, a potem pojawiło ponownie. W innych miejscach podobny efekt zachodzi przy zachodzie. Nie dzieje się tak wszędzie na planecie i nie podczas każdego fragmentu merkuriańskiego dnia. Kluczowe jest położenie obserwatora oraz to, gdzie Merkury znajduje się na swojej wydłużonej orbicie.
Dwa ruchy konkurują ze sobą
Pozorny ruch Słońca po niebie wynika z dwóch rzeczy naraz: obrotu planety wokół własnej osi oraz jej ruchu po orbicie. Merkury obraca się bardzo powoli — jeden obrót względem odległych gwiazd trwa około 59 ziemskich dni. Jednocześnie okrąża Słońce w około 88 dni. Gdyby jego prędkość orbitalna była stała, ruch Słońca po niebie byłby tylko bardzo powolny. Orbita Merkurego jest jednak wyraźnie eliptyczna, więc zgodnie z prawami Keplera planeta przyspiesza, zbliżając się do Słońca, i zwalnia, gdy się od niego oddala.
Co dzieje się w pobliżu peryhelium
W pobliżu peryhelium, czyli punktu orbity położonego najbliżej Słońca, kątowy ruch Merkurego wokół Słońca staje się na krótko na tyle szybki, że może przeważyć nad efektem obrotu planety. Dla obserwatora stojącego na powierzchni oznacza to odwrócenie pozornego kierunku ruchu Słońca. Gdy Merkury oddala się od peryhelium, jego ruch orbitalny ponownie zwalnia i zwykły kierunek pozornego ruchu Słońca zostaje przywrócony. Ten efekt jest więc lokalnym i czasowym skutkiem geometrii, a nie zmianą kierunku rotacji planety.
Rezonans, który porządkuje cały cykl
Merkury znajduje się w rezonansie spin–orbita 3:2: w czasie dwóch obiegów wokół Słońca wykonuje trzy obroty względem gwiazd. To stabilna konfiguracja grawitacyjna, a nie przypadkowa zbieżność. W jej wyniku pełny cykl od jednego południa słonecznego do następnego trwa aż około 176 ziemskich dni. Połączenie rezonansu z eliptycznością orbity sprawia, że merkuriańskie niebo jest bardziej skomplikowane, niż sugerowałoby proste stwierdzenie, że planeta „wolno się obraca”.
Dlaczego to dobry przykład mechaniki nieba
Ta ciekawostka pokazuje, że wschód i zachód Słońca nie są wyłącznie skutkiem rotacji planety. Liczy się ruch względny: obrót powierzchni trzeba rozpatrywać razem z ruchem całej planety po orbicie. Na Ziemi ruch orbitalny jest zbyt powolny w porównaniu z dobową rotacją, by dać podobny efekt. Na Merkurym te dwie skale czasowe są do siebie na tyle zbliżone, że ruch orbitalny może na krótko „wygrać” i odwrócić to, co widzi obserwator.
To zjawisko zależy od miejsca na Merkurym i od geometrii orbity
Najbardziej efektowny wariant „cofającego się Słońca” nie wygląda identycznie z każdego miejsca na Merkurym. Kluczowe jest to, że w pobliżu peryhelium planeta porusza się po orbicie na tyle szybko, że chwilowo zmienia się znak pozornego ruchu Słońca wynikający z różnicy między ruchem orbitalnym a obrotem planety. Dla obserwatora w odpowiednim położeniu oznacza to, że Słońce może wschodzić, zatrzymywać się, cofać ku horyzontowi, a następnie ponownie ruszać w zwykłym kierunku. W innych długościach geograficznych efekt objawiłby się raczej pętlą lub zmianą tempa ruchu Słońca po niebie. To ważne doprecyzowanie: nie cała planeta doświadcza dokładnie tej samej sekwencji wschodu i zachodu. Mechanizm jest jednak globalny, bo wynika z rezonansu obrotu Merkurego z jego ekscentryczną orbitą. Dzięki temu rekord nie jest tylko egzotycznym opisem nieba, lecz dobrym eksperymentem myślowym pokazującym, że „wschód Słońca” jest skutkiem względnego ruchu dwóch ciał, a nie osobnym zjawiskiem przypisanym do planety.
Merkury był jednym z pierwszych przykładów, w których radar poprawił obraz ruchu planety
Przez długi czas sądzono, że Merkury jest zsynchronizowany pływowo ze Słońcem i zawsze pokazuje mu tę samą stronę. Dopiero radarowe pomiary rotacji w latach 60. XX wieku wykazały okres około 59 dni i ujawniły rezonans 3:2. To zmieniło sposób interpretacji merkuriańskiego nieba: gdy poznano prawdziwy okres obrotu i dużą ekscentryczność orbity, nietypowy ruch Słońca stał się naturalną konsekwencją mechaniki. Przykład pokazuje też, że rotacji planety nie zawsze trzeba mierzyć, śledząc widoczne plamy na powierzchni. Merkury jest trudny do obserwowania optycznie z Ziemi, ponieważ pozostaje blisko Słońca na niebie, ale fale radiowe mogą zostać wysłane ku planecie i po odbiciu dostarczyć informacji o jej ruchu. W ten sposób pozornie egzotyczna ciekawostka łączy geometrię orbity z historią technik pomiarowych.