¿Por qué ciertas lunas tienen su período de rotación igual a su período orbital?

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Nuestra luna y la luna de Saturno, Titán, tienen esta característica. Debido a esto solo observamos un lado (hemisferio) de nuestra luna. ¿Por qué es esto? ¿Cuál es la newtoniana o la astrofísica que explicaría esto? Parece que sería una especie de equilibrio al que se llega con el tiempo, pero no lo entiendo.

0trania 0pobreza
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No se recomiendan los enlaces de YouTube, pero es una explicación simple y agradable: youtube.com/watch?v=6jUpX7J7ySo busque Tidal Locking para obtener más información.
userLTK
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Ayer me preguntaba esto, extraño
MCMastery
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No es solo nuestra luna y Titán. Que yo sepa, cada luna grande en el sistema solar exhibe este comportamiento. El bloqueo de mareas es un fenómeno poderoso.
Mark Foskey

Respuestas:

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La respuesta a esto es sin duda las fuerzas de marea, pero eso no explica el mecanismo exacto de cómo las fuerzas de marea resultan en el bloqueo de la marea , es decir, un cuerpo en órbita que muestra la misma cara al cuerpo central que orbita debido a la velocidad de rotación y la revolución. tasa igual. Describiré este mecanismo usando el sistema Tierra-Luna para que pueda ser específico, pero se aplica igualmente para cualquier sistema.

Para comenzar, las fuerzas de marea son el resultado de fuerzas gravitacionales diferenciales a través de la masa distribuida de un cuerpo. La Luna no es una masa puntual, tiene un tamaño extendido. La fuerza de gravedad en la Luna por la Tierra depende de la distancia (como lo es la fuerza de gravedad para cualquier cosa). Lo que esto significa es que en el lado de la Luna que mira hacia la Tierra, la fuerza de la gravedad es más fuerte y a medida que avanzas a través de la Luna hacia el lado opuesto a la Tierra, la fuerza de la gravedad se debilita. Esto significa que el lado de la Luna que mira hacia la Tierra se tira más fuerte y más cerca de la Tierra, mientras que el lado opuesto a la Tierra, mientras aún se tira hacia la Tierra, no se tira tan fuerte o tan cerca. En última instancia, esto da como resultado que la Luna se deformede modo que se vuelva ligeramente achatado y se estire en la dirección de la Tierra. Esta flexión de la superficie se conoce como mareas.

Ahora supongamos que la Luna no está actualmente bloqueada por la marea con la Tierra, y de hecho gira un poco más rápido de lo que orbita. La Tierra está causando mareas en la Luna y la Luna está girando sobre su eje. Las mareas, causadas por las fuerzas de marea, quieren permanecer alineadas con la línea Tierra-Luna, ya que esa es la dirección en que se aplican las fuerzas de marea. Sin embargo, lleva tiempo y mucha energía deformar la Luna. Una vez que la Luna se deforme, girará e intentará tirar de esa deformidad de marea junto con ella, moviendo efectivamente el bulto de marea por delante de la línea Tierra-Luna. La Tierra todavía está aplicando la fuerza de marea a lo largo de esa línea Tierra-Luna para intentar tirar de la línea de marea. Esta fuerza constante que trata de tirar de la protuberancia de la marea hacia atrás (o hacia adelante si la Luna gira demasiado lento) permite una transferencia de impulso para reducir la velocidad de la Luna (o de nuevo, acelerarla si es demasiado lenta). El punto principal aquí es que el bloqueo de las mareas es un estado de equilibrio porque si la Luna gira demasiado lento o demasiado rápido, la Tierra que intenta empujar la protuberancia de la marea hacia la línea Tierra-Luna cambiará la velocidad de rotación de la Luna hasta que se convierta en marea. bloqueado Una vez que está bloqueado por la marea, esa protuberancia de marea siempre estará a lo largo de la línea Tierra-Luna y esta fuerza desaparecerá. la Tierra que intenta tirar del bulto de marea en la línea Tierra-Luna cambiará la velocidad de rotación de la Luna hasta que quede bloqueada por la marea. Una vez que está bloqueado por la marea, esa protuberancia de marea siempre estará a lo largo de la línea Tierra-Luna y esta fuerza desaparecerá. la Tierra que intenta tirar del bulto de marea en la línea Tierra-Luna cambiará la velocidad de rotación de la Luna hasta que quede bloqueada por la marea. Una vez que está bloqueado por la marea, esa protuberancia de marea siempre estará a lo largo de la línea Tierra-Luna y esta fuerza desaparecerá.

Sin embargo, eso cubre aproximadamente la mitad de la respuesta. Al tratar de bloquear la marea de la Luna a la Tierra, debe considerar dos períodos de tiempo. El primero, discutido en el párrafo anterior, es el tiempo de rotación de la Luna alrededor de su eje. El otro es el tiempo de revolución de la Luna alrededor de la Tierra. Ambos deben coincidir. El párrafo anterior describió cómo el tiempo de rotación de la Luna alrededor de su eje podría verse afectado, pero también hay un medio para afectar el tiempo de revolución de la Luna alrededor de la Tierra. Afortunadamente, esto es por un mecanismo casi idéntico al anterior. En efecto, la Luna también causa protuberancias de marea en la Tierra y, dado que la Tierra gira, estas protuberancias de marea no se alinearán directamente con la línea Tierra-Luna. Este bulto de marea no alineado en la Tierra actúa para transferir energía a la velocidad orbital de la Luna, haciendo que se acelere o disminuya la velocidad. Por cierto, a través de la conservación del momento angular, esto necesariamente hace que la Luna se aleje de nosotros a un ritmo pequeño pero persistente.

En resumen, las fuerzas de marea causan el bloqueo de la marea, pero sucede a través de fuerzas complejas y lentas durante un largo período de tiempo que afectan tanto la velocidad orbital de la Luna como la velocidad de rotación hasta que se encuentra un equilibrio. Ese equilibrio es el bloqueo de las mareas.

céfiro
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Si esto se aplica a cualquier sistema, ¿eso significa que la Tierra eventualmente estará bloqueada por las mareas al Sol?
Liren
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@Liren Sí, aunque llevará mucho más tiempo. De hecho, la Tierra quedará bloqueada por la marea primero en la Luna.
Mark H
Me pregunto qué países podrán ver la luna ... ¡qué atracción turística! :)
NikoNyrh
@Liren Técnicamente podría suceder si solo existiera la Tierra / Sol. El problema es que tenemos muchos otros planetas como Júpiter que tienen perturbaciones gravitacionales notables en la Tierra que nos impiden alcanzar ese equilibrio de bloqueo de mareas. Pero, definitivamente vemos que el planeta se une a sus estrellas, por ejemplo, Mercurio (aunque con una resonancia 2: 3 en lugar de una 1: 1 como la Luna) o los planetas en el recientemente anunciado sistema TRAPPIST-1.
zephyr
@NikoNyrh Probablemente ninguno de ellos. Se pronostica que la Tierra tardará más de 50 mil millones de años en bloquearse por marea a la Luna (los efectos de la Luna en la Tierra son demasiado pequeños para hacerlo antes) y sabemos que el Sistema Solar ya habrá desaparecido. El Sol se volverá Gigante Rojo en unos 5 mil millones de años.
zephyr
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La respuesta simple es: fuerzas de marea, que son un efecto secundario de la gravedad. De la misma manera que la Luna causa mareas bajas y altas de los océanos aquí en la Tierra, la Tierra también tiene un efecto similar en la Luna.

La fuerza es del mismo origen, aunque mucho más fuerte debido a la masa de la Tierra. Estas fuerzas de marea causan un par en la rotación de la Luna y es por eso que solo muestra la misma cara a la Tierra.

Dato curioso, Plutón y su única luna, Caronte, muestran solo una cara durante su órbita debido a la fuerza de las mareas. Además, las fuerzas de marea también están ralentizando la rotación de la Tierra.

Rumplestillskin
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¿Las fuerzas de marea dependen de la asimetría? IOW, si la luna fuera más perfectamente simétrica, ¿existirían las fuerzas de marea o tendrían el mismo efecto?
0tyranny 0poverty
Dependen de la masa y de la naturaleza no constante de la fuerza gravitacional. Es decir, la atracción gravitacional entre dos cuerpos es más fuerte en los lados uno frente al otro. Espero que ayude.
Rumplestillskin
@ 0tyranny0poverty Tipo de. Si pudieras hacer que la distribución de masa de la Luna sea perfectamente simétrica (la distribución de masa lunar es notoriamente desigual ) reduciría la tasa de cambio del período de rotación de la Luna, pero las fuerzas de marea crean una asimetría en la superficie: la protuberancia de la marea. Para eliminar el efecto del bloqueo de las mareas, necesitaría tener un cuerpo perfectamente rígido, y eso es físicamente imposible.
PM 2Ring
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@ 0tyranny0poverty Sospecho que es porque es un sistema complejo con muchas lunas, así como los anillos. Esto da como resultado una mezcla caótica de efectos gravitacionales, y se necesita algo de tiempo y suerte para que un satélite se sincronice.
Barmar
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r-3