تم التوصل للترتيب الصحيح الذي نعرفه اليوم للكواكب بفضل توصل يوهانس كبلر (1609) إلى حقيقة أن: الكواكب (بما فيها كوكبنا الأرضي) تدور حول الشمس في مسارات (مدارات) تكون على هيئة قطع ناقص وليست دائرة كاملة، وكذلك بفضل الرؤية الكاشفة للجاذبية التي زودنا بها إسحاق نيوتن (1687) التي تفسّر هذا الدوران. وبعد ذلك، أصبح من الممكن البدء في استنتاج المسافات التي بين تلك الكواكب وكوكب الأرض، وأحجامها مقارنة به.

والقطع الناقص هو شكل «بيضاوي»، ويعرف رياضيا بأنه منحنى مغلق يرسم حول نقطتين (بؤرتي القطع الناقص) بحيث يكون مجموع المسافتين من كل بؤرة لأي نقطة على المنحنى واحدًا. والدائرة نوع خاص من القطع الناقص؛ حيث تتطابق فيه البؤرتان عند مركز الدائرة، وكلما كانت المسافة بين البؤرتين أكبر، كان القطع الناقص أكثر استطالة أو لاتراكزية. استنتج كبلر أن الكواكب تدور في مدارات على هيئة قطع ناقص؛ حيث تكون الشمس عند إحدى بؤرتي كل قطع ناقص (في حين تكون البؤرة الأخرى خالية). ويُطلق على أقرب نقطة في مدار الكوكب إلى الشمس «الحضيض»، ويُطلق على أبعد نقطة في مداره عن الشمس «الأوج». ومدارات الكواكب ليست لا تراكزية بشدة؛ ولا يشبه شكلها كثيرًا شكل القطع الناقص، وإذا نظرت إليها مرسومة على مستوى أفقي؛ فإنها تبدو أشبه كثيرًا بالدوائر. على سبيل المثال، عندما يكون المريخ في الأوج، تزيد المسافة بينه وبين الشمس بمقدار يقل عن % 21مقارنةً بما يكون عليه الحال عندما يكون في الحضيض، وبالنسبة للأرض يكون الفارق 4% فقط.

يشتهر كبلر بقوانينه الثلاثة عن حركة الكواكب. وقانون كبلر الأول ينص ببساطة على أن كل كوكب يتحرك في مدار على هيئة قطع ناقص، مع وجود الشمس عند إحدى بؤرتيه. ويصف القانون الثاني كيفية تباين سرعة حركة الكوكب في مداره: يتحرك الكوكب أسرع كلما اقترب من الشمس (لأسباب أوضحتها لاحقا نظرية الجاذبية لنيوتن) بحيث يقطع الخط التخيلي الذي يصل بين الكوكب والشمس مساحات متساوية في أوقات متساوية. أما قانون كبلر الثالث، فيربط بين الفترة المدارية للكوكب (ويقصد بها المدة التي يستغرقها الكوكب في إكمال دورة واحدة حول الشمس) ومتوسط المسافة بينه وبين الشمس: مربع الفترة المدارية لكوكب يتناسب طرديا مع مكعب متوسط المسافة بينه وبين الشمس. وقد تبين أن متوسط المسافة بين كوكب معين والشمس يساوي نصف طول المحور الطولي للقطع الناقص المداري (محوره شبه الكبير) أو، إذا شئت، نصف المسافة المستقيمة بين الحضيض والأوج.

من خلال قوانين كبلر الخاصة بحركة الكواكب، أمكن حساب أحجام مدارات الكواكب الأخرى بدقة، وهذه الدقة تظل رهينة - على نحو شبه تام - لمدى دقة الطريقة التي قيس بها حجم مدار كوكب الأرض. وحتى مع العودة إلى الوراء كثيرًا، وتحديدًا إلى عام 1672، أمكن من خلال المشاهدات المتزامنة لكوكب المريخ من مواقع متباعدة قياس المسافة بين كوكب الأرض والشمس، التي قدرت بنحو 140 مليون كيلومتر، وهي القيمة التي تقترب على نحو لافت – من القيمة الصحيحة التي تبلغ 149597871 كيلومترًا. والمشاهدات التي رصدت عبور كوكب الزهرة أمام قرص الشمس في عامي 1761 و1769 (تَطلَّب العبور الثاني من المستكشف الإنجليزي جيمس كوك أن يسافر إلى تاهيتي) ساعدت على الوصول إلى تقدير جديد يتراوح بين 152 و154 مليون كيلومتر. وبالرغم من هذه التطورات العلمية وغيرها التي استمرت في تعزيز نموذج متسق ورائع على نحو تام لنطاق وطبيعة المجموعة الشمسية؛ ظل الحظر البابوي على طباعة الكتب التي تتحدث عن مركزية الشمس» في روما على حاله حتى عام 1822.

جدول 1-1: أحجام الكواكب الأقطار الاستوائية الخاصة بالكواكب.

ربما يكون مبررًا اعتقادك أنه بمجرد أن تُحدّد المسافة بين كوكب ما والشمس، يكون حساب حجم هذا الكوكب أمرًا سهلًا، لكن صغر حجم قرص الكوكب حتى عند استخدام تليسكوب ضخم، إضافة إلى تلألؤ الغلاف الجوي للأرض، يؤديان إلى حالة كبيرة من عدم اليقين عند قياس الحجم الزاوي للكوكب (بعبارة أخرى، الحجم الذي يبدو عليه). على سبيل المثال، عندما اكتشف ويليام هيرشل كوكب أورانوس عام 1781، كان قياسه لقرص الكوكب أكبر بمقدار 8 وبدلاً من محاولة قياس الحجم الذي يبدو عليه كوكب ما، فإن أدق طريقة تليسكوبية لتحديد حجمه هي تحديد المدة التي يستغرقها للمرور أمام نجم معين. و «حالات الكسوف» هذه نادرة الحدوث، لكن مع انتهاء القرن التاسع عشر، كان قد تم تحديد أحجام الكواكب بدقة كبيرة (انظر الجدول رقم 1-1).

اكتشف هيرشل كوكب أورانوس بالصدفة، لكن تم اكتشاف كوكب نبتون في عام 1846 نتيجة لعملية بحث مدروس في ضوء اضطرابات طفيفة حدثت في مدار كوكب أورانوس (وحرفَتْه عن هيئة القطع الناقص الذي كان عليه)، يمكن تفسيرها على أفضل نحو من خلال تأثير جاذبية كوكب خارجي غير مرئي. وعندما مر على توثيقه وقت طويل بما يكفي، أظهر مدار نبتون بدوره اضطرابات تشير إلى كوكب أبعد غير مكتشف. وهذا أطلق عملية بحث جديدة انتهت باكتشاف كوكب بلوتو عام 1930. في البداية، افترض علماء الفلك أن هذا الكوكب التاسع الجديد يشبه حتمًا في حجمه وكتلته كوكبي أورانوس ونبتون. لكن بحلول عام 1955، تبين أن كوكب بلوتو قد لا يكون أكبر حجمًا من الأرض، وفي عام 1971، تم تخفيض حجمه التقديري بحيث أصبح مساويًا لحجم كوكب المريخ وفي عام 1978، وجد أن غاز الميثان المتجمد الذي يعكس الضوء بقوة يغطي أغلب سطح كوكب بلوتو، وكان هذا معناه تقليل حجمه الفعلي أكثر ليظل متسقًا مع سطوعه الكلي. نحن نعلم الآن أن قطر كوكب بلوتو لا يتجاوز 2390 كيلومترًا؛ ومن ثُمَّ فإن حجمه أصغر (وكتلته، في واقع الأمر، أصغر «كثيرًا») حتى من كوكب عطارد. وتعزى هذه الاضطرابات الظاهرة في مدار نبتون، التي أدت - لحسن الحظ – لعملية البحث عن بلوتو حاليا، إلى عدم دقة المشاهدات.

في عام 2006، حذف بلوتو من قائمة الكواكب المعترف بها رسميا. كانت هذه خطوة مثيرة للجدل، بالرغم من أنها – في رأيي – خطوة صائبة. وقبل أن أوضح كيف حدث هذا، سوف أستعرض طبيعة المجموعة الشمسية كما نفهمها حاليًّا.