Denizde dalga oluşmasının temel sebebi rüzgârın su yüzeyine sürtünmesidir. Rüzgâr, açık denizde yüzeyle uzun süre temas eder, bu da büyük enerji aktarımı sağlar. Ne kadar uzun mesafe boyunca rüzgâr eser ve ne kadar güçlü olursa, dalgalar o kadar büyür. Bu mesafeye fetch denir.Okyanus ve denizler çok geniştir. Rüzgârın esip suyu itmesi için önünde engel yoktur. Bu yüzden dalgalar büyüyüp organize olabilir. Göller, denizlere göre çok daha küçük olduğundan rüzgârın dalga oluşturabileceği mesafe kısadır. Bu yüzden gölde oluşan dalgalar küçük, kırık ve kısa ömürlüdür. Denizlerde ayrıca Ay ve Güneş’in çekiminden kaynaklanan gelgit hareketi vardır. Bu da su kütlesini hareket ettirip büyük dalgalanmaları tetikleyebilir. Ancak göllerde gelgit etkisi yok denecek kadar azdır. Rüzgarın dalga oluşumundaki etkisini anladıktan sonra, gelgit hareketlerinin su yüzeyini nasıl etkilediğini de anlamak gerekir.
Ay da Güneş de kütleleri sayesinde Dünya’yı çekim kuvvetiyle etkiler. Bu çekim, özellikle Dünya’nın okyanuslarını ve denizlerini oynatır. Su kütleleri ayın çekim kuvvetine bağlı olarak yükselir ve alçalır. Ay, Dünya’ya çok yakın olduğu için en büyük çekim etkisini yaratır. Dünya’nın Ay’a yakın tarafı, Ay’ın çekim gücünden daha çok etkilenir ve buradaki sular Ay’a doğru çekilerek bir şişkinlik oluşturur. Aynı zamanda Dünya’nın merkezi yani katı kısmı Ay tarafından biraz daha çekilir, ancak uzak taraftaki sular bu çekime göreceli olarak daha az maruz kalır. Böylece Dünya’nın bir yanında Ay’a bakan, diğer yanında ise Ay’dan uzak olan bölgelerde iki ayrı gelgit kabarması oluşur. Uzak taraftaki su, Dünya’nın kütlesiyle merkezkaç etkisi sebebiyle şişkinlik oluşturur. Bu durum yalnızca geceleri değil, Ay’ın konumuna bağlı olarak gün boyunca gözlemlenebilir. Bu yüzden günde 2 defa deniz seviyesi yükselir ve 2 defa alçalır. Dünya döndükçe bu su şişkinlikleri hareket eder ve biz bu döngüyü kıyılarda suyun yükselip alçalması olarak, yani med-cezir olarak görürüz. Güneş de aynı etkiyi yapar ama Ay kadar güçlü değildir. Ayrıca göller çok küçük su kütleleridir ve Ay’ın çekim etkisi gölün yüzeyinde hissedilmeyecek kadar küçüktür. Okyanuslar gibi devasa su kütleleri olmadığı için gözle görülür bu sebeple de gelgit sadece denizlerde ve okyanuslarda olur. Ancak ayın dolunay ve yeniay evrelerinde Güneş ve Ay aynı doğrultuda olduğunda çekim etkileri birleşir ve gel-git farkı daha yüksek olur, bu da dalgaların ve deniz seviyesinin olağanüstü artmasına yol açabilir.
Uzay, klasik anlamda tamamen boş değildir, ancak dolu bir zemin gibi de değildir. Kütleler ve enerji, uzayın dokusunu etkiler. Einstein’ın genel görelilik teorisine göre kütle ve enerji, uzay-zamanı büker ve bu bükülme, kütleçekim etkisi olarak gözlemlenir. Yani bir gezegen veya yıldız, uzayı bir zemine bastırır gibi değil, uzay-zamanın geometrisini değiştirir. Bu değişim, Ay’ın yörüngesini veya Dünya’daki gelgitleri etkiler. Kısaca, uzay görünmez bir esnek çerçeve gibidir, kütleler bu çerçeveyi büker ve diğer kütleler buna tepki gösterir. Bu gelgit hareketleri, uzay-zamanın kütle tarafından nasıl büküldüğünü anlamakla doğrudan ilişkilidir. Uzay, tamamen boş olmasa da kütlelerin etkisiyle esnek bir yapı gösterir.
Biz Dünya üzerinde yaşadığımız için, ağırlığımızın büyük kısmını Dünya’nın yerçekimi belirler. Dünya’nın yüzey çekimi yaklaşık olarak 9,81 m/s² iken, Ay’ın Dünya yüzeyindeki çekim etkisi yalnızca yaklaşık 0,0027 m/s² civarındadır. Bu kuvvet, okyanusların yükselip alçalmasına ve atmosferde minimal hareketlere yol açar, ancak Dünya’nın yüzeyinde hissedilebilecek bir çekim yaratmaz. Yani Ay bizi çekiyor, ama bu çekim Dünya’nın baskın çekimine kıyasla çok zayıf ve dolayısıyla canlılar bu durumdan etkilenmez ve günlük hayatı etkilemez. Fakat gelgitler nedeniyle deniz seviyesi belirli bölgelerde günde birkaç kez yükselir ve alçalır. Bu sebeple basınç hesaplamalarında kullanılan deniz seviyesi, anlık ve bölgesel olarak değişkenlik gösterebilir.
Dünya, Ay’a sürekli bir kütle çekim kuvveti uygular. Bu kuvvet olmasa Ay uzaya savrulur ve yörüngede kalmazdı. Ancak Ay aynı zamanda kendi yörüngesel hızına sahiptir. Bu hız, Ay’ın Dünya’nın merkezine doğru sürekli düşerken aynı anda yanlamasına ilerlemesini sağlar. Böylece Ay, Dünya’ya düşmek yerine Dünya etrafında sürekli “serbest düşme” halindedir. Uyduların yörüngede kalmasını sağlayan iki faktör vardır: merkez yönlü çekim kuvveti ve yörüngesel hızları. Bu durum Newton mekaniğinde merkezcil kuvvet ile yörüngesel hız arasındaki denge olarak açıklanır. Bir uydu, Dünya’ya doğru sürekli bir çekim kuvvetine maruz kalırken, yanal hız sayesinde “serbest düşme” durumunda sürekli bir dairesel hareket yapar. Bu yanal hareket ve merkez çekimi dengesi sayesinde uydu sabit bir yörüngede kalır ve doğrudan merkeze düşmez. Bu durum, Dünya ile sınırlı değildir; diğer gezegenlerin uyduları da benzer şekilde, merkez çekimi ve yanal hızlarının dengesi sayesinde yörüngede kalırlar. Eğer yanal hız olmasaydı veya Ay’ın yörüngesel hızı daha yavaş olsaydı gerçekten de spiraller çizerek Dünya’ya düşerdi; daha hızlı olsaydı da çekimden kurtulup uzaya savrulurdu.
Benzer durum Dünya’dan gönderilen ve Dünya etrafında dönen uydular için de geçerlidir. Yörüngedeki uyduların alt ve üst sınırları, atmosfer sürtünmesi ve kütleçekimsel stabilite dikkate alınarak belirlenir. Örneğin alçak yörüngedeki uydular (LEO) birkaç yüz km yüksekliğinde bulunur ve atmosfer sürtünmesi nedeniyle zamanla yörüngeleri düşebilir; jeostasyoner uydular ise yaklaşık 36.000 km yükseklikte ve Dünya ile senkronize dönerek sabit konumda kalır.
Yer çekimi, her noktayı Dünya’nın merkezine doğru çeker. Yerçekimi, kütleli cisimlerin birbirine uyguladığı çekim kuvvetidir ve Dünya’nın kütlesi tarafından atmosfere uygulanır. Atmosfer, kütle çekim kuvveti nedeniyle Dünya’nın merkezine doğru çekilir ve bu çekim atmosferin basıncını oluşturur. Yani atmosferin aşağı doğru bir basınç oluşturmasının nedeni yerçekimidir. Atmosferin üst katmanları, alt katmanların üzerinde bir yük oluşturur ve bu da alt katmanlarda basınç artışına yol açar. Kütlesel çekimin en temel nedeni, atmosferin iç basıncı değil, Dünya’nın kütlesidir.
Ay’ın çekimi atmosferi minimal düzeyde etkileyebilir; ancak bu etkiler birkaç Pascal mertebesinde olup meteorolojik olayları anlamlı şekilde yönlendirmez. Atmosferin yoğunluğu ve basıncı, Dünya’nın kütlesi ve yerçekimi ile doğrudan orantılıdır; üst katmanlar alt katmanlar üzerindeki yükü taşır ve bu da basıncı artırır. Bu prensip, atmosferdeki hava hareketlerinin ve rüzgarın temel fiziksel dayanağını oluşturur.
Ancak Ay, Dünya’dan her yıl yaklaşık 3.8 cm uzaklaşmaktadır. Bunun temel sebebi gelgit sürtünmesidir. Ay, Dünya’nın okyanuslarını çektiğinde su kütleleri gelgit şişkinlikleri oluşturur. Ancak Dünya kendi ekseni etrafında Ay’dan çok daha hızlı döndüğü için bu şişkinlikler Ay’ın tam karşısında değil, biraz önünde kalır. Bu önde kalma, Ay’ın çekim kuvveti ile Dünya’nın dönme hareketi arasında sürtünmeye yol açar. Bu sürtünme Dünya’nın dönüş hızını yavaşlatır, günler yüzyıllar içinde uzar. Aynı zamanda Ay’a açısal momentum aktarılır, Ay da yavaş yavaş Dünya’dan uzaklaşır. Bu süreç “gelgit frenlemesi” olarak bilinir. Aynı mekanizma başka gezegenlerin uydu sistemlerinde de işler. Örneğin Jüpiter’in uyduları arasındaki gelgit sürtünmesi dev volkanizma ve buz altı okyanuslar doğurur. Açısal momentum transferi, Dünya’nın dönme periyodunu yüzyıllar içinde uzatır. Bu mekanizma, gezegenler ve uydular arasındaki dinamik etkileşimlerin evrimini anlamak için kritik öneme sahiptir ve Jüpiter veya Satürn sistemlerinde de benzer şekilde gözlemlenir.
Dünya ve Ay’ın kütlesi büyük ölçüde sabittir; bu yüzden kütleçekim kuvveti de değişmez. Gelgitlerin etkisi, kütleçekimin kendisinden değil, Dünya ve Ay arasındaki kütle dağılımının momentumu ve deformasyonu ile ilgilidir. Ay, Dünya’nın okyanuslarını ve kabuğunu çektiğinde, su kütleleri hafifçe “çekim merkezinin önüne” kayar. Bu kayma, Ay’ın Dünya üzerindeki çekim kuvvetinin yönünü değiştirir ve açısal momentum transferi yaratır. Bu süreç Dünya’nın dönme hızını yavaşlatır ve Ay’ı yavaşça uzaklaştırır. Yani gelgitler Ay’a doğrudan bir itme yapmaz; kütle merkezindeki değişim, kütleçekimle birleşerek yörüngede enerji ve momentum değişimine yol açar.
Satürn’ün halkaları, gezegenin güçlü çekim alanı ve gelgit kuvvetlerinin birleşimiyle ortaya çıktı. Dünya, Satürn kadar büyük ve çevresinde büyük kütleli halkalar barındıracak kadar yakın uydulara sahip değil, ayrıca Dünya okyanusları gezegen ölçeğinde halkalar oluşturacak kadar yoğun değil. Dünya’nın kütlesi ve uydularının konumu da Satürn’ün halkaları gibi bir sistemin oluşmasını desteklemez. Satürn’ün halkaları, devasa uydular veya buzlu cisimlerin gelgit etkisiyle parçalanması ve gezegenin Roche limit’i içinde kalması sonucu oluştu. Burada “gelgit” etkisi, gezegenin kütleçekimi ve uydu/kaya parçacıklarının içsel bağlarının dengesi ile ilgilidir. Roche Limit, bir uydu veya cisim ile onu çeken gezegen arasında, kütleçekimsel gelgit kuvvetlerinin cismin kendi içsel çekiminden büyük olmaya başladığı mesafedir. Eğer bir uydu bu limitin içine girerse, gezegenin gelgit kuvvetleri uyduyu parçalar.
Atmosfer de belirli bir kütleye sahip olduğu için teorik olarak benzer bir etki yaşayabilir, fakat hava moleküllerinin yoğunluğu çok düşüktür ve serbest hareket kabiliyeti yüksektir. Bu nedenle ayın çekim etkisi atmosferde ciddi bir basınç farkı oluşturacak düzeyde oluşmaz. Ay’ın atmosfer üzerindeki etkisi ölçülebilir ama çok küçüktür; birkaç Pascal mertebesinde değişiklik yaratabilir ancak meteorolojik olaylar üzerinde anlamlı bir rol oynamaz. Dolayısıyla ay çekimi, rüzgar ya da atmosferik basıncı belirgin şekilde yönlendirmez.
Basınçtan bahsetmişken, uzayda basınç çok düşüktür (neredeyse vakum), Dünya atmosferi ise ~1013 hPa basınca sahiptir. Kıyafetsiz bir insan, basınç farkı nedeniyle sıvılar (kan, hücre içi su) aniden genleşir, gazlar (akciğer ve sindirim sistemi) genişler. Bu hızlı genişleme dokuları parçalar ve şiddetli yaralanmalara yol açar. Parçalanma tamamen kimyasal değil, mekanik basınç farkı kaynaklıdır. Okyanus dibi ise yüksek basınca sahiptir; burada ise basınç dışa doğru değil, eşit şekilde uygulanır. İnsan veya ekipman, basınca uygun değilse ezilir veya yapısal hasar görür.
Tüm gezegenler kütleçekimsel olarak Güneş’e gelgitsel kuvvet uygular ama bu etkinin şiddeti mesafeye ve kütle farkına bağlıdır. Dünya üzerinde Ay’ın gelgit etkisi Güneş’inkinden daha büyüktür çünkü Ay çok daha yakındır. Örneğin Jüpiter, Güneş ile devasa bir gelgit etkileşimi yaşıyor ama Jüpiter’in kendi boyutu ve hızlı dönüşü bu enerjiyi farklı şekilde dağıtıyor. Ayrıca Satürn’ün halkalarının oluşumunda da gelgit kuvvetlerinin rolü olduğu düşünülüyor. Gezegenlerin Güneş etrafındaki yörüngeleri de gelgitsel etkileşimlerden çok, büyük ölçüde yörünge dinamiği ve kütleçekim dengeleri ile belirleniyor. Hem su kütlelerinde hem de atmosferde gözlemlenen hareketler, kütleçekim ve enerji dağılımının bir sonucu olarak ortaya çıkar. Örneğin rüzgar, atmosferdeki basınç farklarının bir yan ürünüdür.
Dünya’daki en temel doğal olaylardan biri de rüzgârdır. Rüzgar, atmosferdeki hava moleküllerinin yüksek basınç alanlarından düşük basınç alanlarına doğru hareket etmesiyle oluşan bir doğa olayıdır. Bu hareket, sıcaklık farklarından kaynaklanan basınç farklılıklarının bir sonucudur. Güneş ışınlarının yeryüzüne farklı açılardan düşmesi ve dolayısıyla farklı bölgelerin farklı miktarda ısınması, atmosferde sıcaklık ve yoğunluk farklılıkları yaratır. Sıcak hava, yoğunluğu az olduğu için yükselir ve bu bölgelerde alçak basınç alanları oluşur. Soğuk hava ise yoğunluğu daha fazla olduğu için alçalır ve yüksek basınç alanları meydana gelir. Hava, bu yüksek ve alçak basınç alanları arasındaki farkı dengelemek için hareket eder. Dünya’nın dönüşü, rüzgarın oluşmasını başlatmaz, ancak yönünü ve hareket çizgisini önemli ölçüde etkiler. Bu etki Coriolis Kuvveti olarak adlandırılır ve kuzey yarımkürede rüzgarları sağa, güney yarımkürede ise sola saptırır. Böylece rüzgarın yönü belirlenir ve küresel atmosfer dolaşımının yapısı şekillenir.
Isınan hava yükselir, çünkü yoğunluğu düşer ve daha az yoğun hava yukarı doğru hareket eder. Ancak bu hareketin yönü ve konumu yalnızca sıcaklığa bağlı değildir. Dünya’nın yüzeyi homojen ısınmaz; güneş ışınlarının yeryüzüne düşme açısı ve süresi bölgesel farklılıklar yaratır. Ekvator, Güneş ışınlarını dik açıyla alır ve yoğun bir şekilde ısınır, kutuplar ise ışınları eğik açıyla aldıkları için daha az enerji kazanır. Ancak yükselen hava, atmosferin üst katmanlarına çıktıkça soğur. Soğuyan hava içindeki nemi taşıyamaz hale gelir ve yoğuşma meydana gelir. Yoğuşan su buharı, yoğun bulut kümelerini ve yoğun yağışları oluşturur. Bu da ekvator ve tropik bölgelerin sürekli yağışlı olmasının temel sebebidir. Eğer atmosfer sonsuz derecede ısınabilseydi yağmur oluşmazdı, ancak atmosferin üst katmanlarındaki düşük sıcaklık bu sürecin gerçekleşmesini garanti eder.
Bu nedenle sıcak hava yalnızca belirli bölgelerde yoğunlaşır. Ek olarak, atmosferdeki dolaşım sistemleri ve Coriolis kuvveti, sıcak havanın doğrudan kutuplara doğru yükselip orada birikmesini engeller. Yani sıcak havanın kutuplarda birikmesi beklenmez; yükselen hava ekvator ve tropikal bölgelerde yoğunlaşır, kutuplara doğru giderken soğur ve basınç değişimlerine bağlı olarak alçalır. Ekvatorun sürekli yağışlı olmasının temel nedeni, Güneş ışınlarının dik açıyla düşmesi sonucu havanın çok ısınması ve yükselmesidir. Yükselen hava, atmosferin üst katmanlarında soğur ve içindeki nem yoğunlaşarak yağmur oluşur. Bu süreç, tropikal yağış kuşağı olarak bilinir ve yıl boyunca devam eder. Ekvator çevresinde bu konveksiyonel yükselme sürekli olduğu için tropikal ormanlar ve düzenli yağış görülür. Sıcak havanın yükselmesi kutuplara doğru gerçekleşse de, Coriolis etkisi ve Hadley hücrelerinin döngüsü nedeniyle yükselen hava 30° enlemlerde alçalır ve çölleşmeye yol açar. Bu nedenle kutuplar ve ılıman bölgeler, ekvator kadar yağışlı değildir.
Hadley hücreleri, ekvator bölgesinde yükselen sıcak havanın troposferin üst katmanlarına doğru hareket etmesi, yaklaşık 30° enlemlerde soğuyarak alçalması ve tekrar ekvatora dönmesiyle oluşan büyük ölçekli atmosferik dolaşım sistemleridir.Bu hücreler, rüzgarların ve iklim kuşaklarının oluşumunda temel bir rol oynar. Ekvator üzerinde yükselen nemli hava yoğunlaşarak yağmur oluşturur, 30° enlemlerde alçalan hava ise kuraklık ve çölleşme ile sonuçlanır. Hadley hücreleri, atmosferin ısı dengesini sağlar ve ekvator ile orta kuşaklar arasındaki rüzgar kuşaklarını belirler. Coriolis kuvveti ile birleştiğinde, tropikal ticaret rüzgarları ve batı rüzgarları gibi küresel rüzgar sistemleri ortaya çıkar.
Coriolis kuvveti, Newton mekaniğinde ek kuvvet olarak tanımlanan bir sanal kuvvettir. Dünya dönerken, üzerinde hareket eden bir cisim sabit bir düz çizgide ilerlemek ister. Ancak Dünya sürekli döndüğü için bu hareket, kuzey yarımkürede sağa, güney yarımkürede ise sola sapıyormuş gibi görünür. Örneğin, kutuplardan ekvatora doğru ilerleyen bir hava akımı, Dünya’nın dönme hızının ekvatorda daha büyük olması nedeniyle görece geride kalır ve yön değiştirir. Bu nedenle rüzgarlar ve okyanus akıntıları düz bir çizgi üzerinde hareket etmez. Coriolis kuvveti ekvatorda sıfırdır çünkü dönme eksenine dik hız bileşeni yoktur, kutuplara doğru arttıkça ise en güçlü hale gelir.
Atmosferin oluşumu, Dünya’nın erken jeolojik evrelerinde volkanik faaliyetler ve dış uzaydan gelen katkılar ile gerçekleşmiştir. Yaklaşık 4,5 milyar yıl önce Dünya oluştuğunda yüzey çok sıcaktı ve ilkel atmosfer büyük oranda hidrojen ve helyumdan oluşuyordu. Ancak bu gazlar hafif oldukları için Dünya’nın kütleçekiminden kolayca kaçıp uzaya savruldular. Daha sonra volkanlardan çıkan karbondioksit, su buharı, amonyak ve metan gibi gazlar atmosferi yeniden şekillendirdi. Dünya soğudukça su buharı yoğunlaştı ve ilk okyanuslar oluştu. Bu süreçte atmosferin bileşimi de kademeli olarak değişti. Yaklaşık 2,5 milyar yıl önce fotosentetik bakteriler (siyanobakteriler) atmosferde oksijen üretmeye başladı. Bu oksijen, milyarlarca yıl süren birikim sonucunda günümüzdeki atmosferin önemli bir parçası haline geldi. Yani atmosfer hem iç kaynaklardan (volkanlar) hem dış kaynaklardan (örneğin kuyrukluyıldızlardan gelen buz ve gaz) hem de biyolojik süreçlerden evrimleşerek oluştu.
Atmosferin farklı gaz gruplarına sahip olması, onun sürekli bir döngü içerisinde olduğunu gösterir. Karbondioksit, azot, oksijen, su buharı gibi gazlar biyolojik ve jeolojik süreçlerle atmosfere girer veya atmosfere geri verilir. Bu nedenle atmosfer, kendini tamamen yenileyebilen dinamik bir yapıdır. Ancak bu yenilenme sınırsız değildir. Eğer büyük bir kozmik olay, devasa bir volkanik patlama ya da insan kaynaklı aşırı kirlilik (örneğin sera gazlarının aşırı artışı) atmosfer dengesini bozarsa, atmosfer kalıcı olarak değişebilir. Uzun zaman ölçeklerinde, Güneş’in giderek parlaklığının artması Dünya’nın atmosferinin büyük kısmını kaybetmesine yol açabilir. Yani atmosfer bir gün tamamen yok olabilir, bu nedenle kendini yenileyen ama kozmik zaman ölçeğinde kalıcı olmayan bir sistemdir. Atmosfer ve yüzey olaylarının ötesinde, evrenin geniş ölçeğinde maddenin dağılımı ve enerji etkileşimleri, gezegenlerin ve yıldızların oluşumunu belirler.
Hidrojen evrenin en bol elementidir ve yok olmuş değildir. Büyük Patlama’dan sonra oluşan ilk atomlar da hidrojen ve helyumdu. Ancak hidrojen serbest halde tek atomlu (H) veya moleküler (H₂) biçimde bulunur. Uzayın çoğunda düşük yoğunlukta hidrojen gazı vardır. Yıldızlar, nükleer füzyon sürecinde hidrojeni helyuma dönüştürdükçe hidrojen azalır gibi görünür, fakat evren o kadar büyüktür ki hidrojen hâlâ baskın elementtir. Galaksiler arası ve yıldızlar arası boşlukta “interstellar medium” denilen düşük yoğunluklu bir gaz vardır. Bir santimetreküpte ortalama birkaç atom bulunur, yani yoğunluk Dünya atmosferine kıyasla trilyonlarca kez daha düşüktür. Buna rağmen bu gaz molekülleri serbestçe dolaşır, dev moleküler bulutlar oluşturur ve zamanla yıldız oluşumuna zemin hazırlar.
Dünya’da yanma için üç şey gerekir: yanıcı madde, oksijen gibi bir yükseltgen ve tutuşturucu enerji. Uzayda ise oksijen serbest halde yoktur, bu nedenle hidrojen gazı serbest dolaşırken tutuşup yanmaz. Güneş’in ve yıldızların “yanması” aslında bildiğimiz kimyasal yanma değil, nükleer füzyon sürecidir. Güneş’in merkezindeki aşırı basınç ve 15 milyon °C’ye varan sıcaklık, hidrojen çekirdeklerinin (protonların) Coulomb itmesini aşarak birleşmesine yol açar. Bu birleşme sonucunda helyum oluşur ve muazzam enerji açığa çıkar. Dolayısıyla uzayda hidrojen bol olsa da, basınç ve sıcaklık yetersiz olduğundan her yerde füzyon başlamaz. Sadece dev kütleli bölgelerde (yıldız çekirdeklerinde) bu reaksiyon gerçekleşir.
Yıldız oluşumu dev moleküler bulutlarda başlar. Bu bulutlar, çoğunlukla hidrojen ve tozdan oluşur. Bulutun bir bölgesi kütleçekimsel olarak çökünce iç basınç ve sıcaklık yükselir. Kritik sıcaklık (≈10 milyon K) aşıldığında hidrojen çekirdekleri kaynaşmaya başlar. İlk füzyon reaksiyonları başladığında enerji açığa çıkar. Eğer bu enerji kütleçekim çöküşünden daha az olsaydı yıldız çökerdi, daha fazla olsaydı bir patlama olurdu. Ancak füzyonun ürettiği basınç ve kütleçekim arasındaki hassas denge, yıldızın istikrarlı biçimde “yanmasına” sebep olur. Yani bu bir patlama değil, uzun vadeli hidrostatik dengedir. Güneş yaklaşık 10 milyar yıl boyunca bu dengede kalabilir.
Su (H₂O), oksijen ve hidrojenin kimyasal reaksiyon sonucu oluşturduğu en kararlı bileşiklerden biridir. Yanma dediğimiz şey aslında bir oksijenle birleşme tepkimesidir. Hidrojen ve oksijen, yanıcı maddeler olduğu için, bir arada bulunmaları durumunda yanma reaksiyonu gerçekleşebilir. Ancak su molekülü, hidrojen ve oksijen moleküllerinin birbirlerine bağlı olarak yapılandırılmıştır. Bu bağlar, hidrojen ve oksijen moleküllerinin bir araya gelmesini engeller ve yanma reaksiyonunun gerçekleşmesini önler. Ayrıca su molekülünün yapısı, hidrojen ve oksijen moleküllerinin bir araya gelmesi için gerekli enerji miktarını aşar. Bu nedenle, su yanmaz. Su, yüksek sıcaklıklarda parçalanarak, hidrojen ve oksijen gazlarına dönüşebilir ancak bu reaksiyon yanma değil, termik parçalama veya elektrik akımı kullanıldığında elektroliz olarak adlandırılır. Hidrojen oksijenle birleştiğinde enerji açığa çıkar ve artık sistemin enerjisi daha düşük bir seviyeye iner. Başka bir deyişle su, enerji açısından “tükenmiş” bir maddedir.
Yıldızların arasındaki boşluklarda, düşük sıcaklıklarda su buzu, karbon monoksit buzu, amonyak buzu ve metan buzu gibi “katılaşmış uçucu maddeler” bolca bulunur. Astronomlar bu maddeleri kızılötesi tayfölçümlerle (infrared spectroscopy) ve radyo teleskoplarla gözlemleyebiliyor. Bu da Dünya dışında, özellikle gezegen oluşum disklerinde, suyun ve diğer uçucu bileşiklerin yaygın olduğunu gösteriyor. Dolayısıyla evrende yalnızca Dünya değil, pek çok gökcisminin çevresinde buz ve gaz var. Su, çözücü özellikleri ve kimyasal tepkimeler için sağladığı ortam nedeniyle yaşamın temel taşıdır. Güneş Sistemi’nde Europa (Jüpiter’in uydusu), Enceladus (Satürn’ün uydusu) ve Mars’ta buzlu yüzeyler veya yeraltı okyanusları bulundu. Bu bölgelerde sıvı suyun varlığı, mikrobiyal yaşam ihtimalini gündeme getiriyor. Dolayısıyla evrende yaşam için gerekli ham maddeler çok geniş ölçekte mevcut, bu da yaşam ihtimalinin temelini oluşturuyor.
Güneş’in parlaklığı sabit değildir. Zamanla artar çünkü çekirdeğinde hidrojen tükenmeye başladıkça helyum yoğunlaşır ve çekirdek daha çok sıkışır. Bu sıkışma daha fazla enerji üretimine neden olur. Dolayısıyla Güneş’in parlaklığı yaklaşık her 100 milyon yılda %1 civarında artar. Günümüzden 4 milyar yıl sonra Güneş, şu an olduğundan %40 daha parlak olacaktır. Bu artış Dünya’nın iklimini uzun vadede yaşanmaz hâle getirecek doğal bir süreçtir. Yıldızların yaşam döngüsü, bazen kara delik oluşumuna yol açacak kadar yoğun bir kütle çekirir. Kara delikler, yıldızların çöküşünün bir sonucu olarak ortaya çıkar.
Kara delik, kütleçekiminin o kadar güçlü olduğu bir bölgedir ki, ışık bile kaçamaz. Bu, çok yoğun bir kütlenin kendi çekim alanını sınırsız şekilde bükmesi sonucu oluşur. Kara deliklerin merkezinde “tekillik” denilen, teorik olarak sonsuz yoğunlukta bir nokta bulunur; etrafında “olay ufku” adı verilen, içinden hiçbir şeyin geri dönemeyeceği sınır vardır. Kara deliklerin varlığı, etraflarındaki madde ve ışığın davranışı ile dolaylı olarak sadece dışındaki etkilerini, yani çevresindeki ışığın eğilmesini, maddeyi yutmasını ya da yaydığı X-ışınlarını gözlemleyebiliriz. Kara delik, çok büyük bir kütleyi çok küçük bir hacimde topladığı için etrafındaki uzay-zamanı şiddetle büker. Genel görelilik teorisine göre güçlü kütleçekim alanı, zamanın akışını yavaşlatır. Yani kara deliğe yaklaştığınızda, dışarıdan bir gözlemciye göre sizin saatiniz çok daha yavaş çalışıyormuş gibi görünür. Bu fenomen “kütleçekimsel zaman genleşmesi” olarak adlandırılır. Kara delik çekirdeğine yaklaştıkça bu etki artar; olay ufkuna yaklaşan bir cisim için dışarıdan bakıldığında zaman duruyormuş gibi görünür.
Solucan deliği, teorik olarak uzay-zamanın farklı noktalarını birbirine bağlayan kısa yol gibi düşünülebilir. Genel görelilik denklemleri solucan deliklerinin mümkün olabileceğini öngörür, ancak bunlar pratikte stabil değildir ve doğada gözlemlenmiş değildir. Teorik olarak, eğer bir solucan deliği var olsaydı, ışık ve madde bu tünelden geçerek uzak mesafeleri kısa sürede kat edebilirdi. Zaman algısı, kütleçekim ve hızdan etkilenir. Einstein’ın özel ve genel görelilik kuramlarına göre, büyük kütleler veya yüksek hızlar zamanın daha yavaş akmasına yol açar. Bu “zaman genişlemesi” olgusu, GPS uyduları gibi sistemlerde günlük hayatımızda bile etkisini gösterir. Kara deliklerin yakınında zaman, uzaktaki gözlemcilere göre çok daha yavaş akar.
GPS uyduları, Dünya yörüngesinde yaklaşık 20.000 km yükseklikte ve saatte 14.000 km hızla hareket eder. Hem bu yüksek hız (özel görelilik etkisi) hem de Dünya yüzeyine göre daha düşük kütleçekim (genel görelilik etkisi) nedeniyle zaman uydularda biraz daha hızlı akar. Eğer bu fark düzeltilmezse, GPS sistemleri günlük 10 km’ye varan hatalarla konum belirler. Yani uydu navigasyonu ve cep telefonu harita uygulamalarının doğru çalışması doğrudan görelilik teorisine bağlıdır. Benzer şekilde, ultrahassas atom saatleriyle yapılan deneyler, Dünya yüzeyinden sadece birkaç metre yukarıda bile zamanın hafifçe değiştiğini gösterir.
