Un objeto del tamaño de la luna se está soltando en el Sistema Solar, tal vez después de una colisión planetaria. A medida que se acerca a un planeta, presumiblemente sigue un camino aproximadamente hiperbólico. Si continúa, todavía está en la misma hipérbola, en una curva que refleja su enfoque (presumiblemente). ¿Cómo puede el planeta capturarlo, sea cual sea la velocidad del cuerpo? ¿Por qué no choca ni pasa?
jupiter
natural-satellites
David Garner
fuente
fuente
Respuestas:
¿Cómo puede un planeta capturar una luna?
Hay 178 lunas en el Sistema Solar, de acuerdo con la Hoja de Datos Planetarios de la NASA , por lo que parece ser un evento común. Las siguientes secciones mostrarán que la captura de la luna es realmente poco probable, pero cuando un planeta tiene una o más lunas, la captura se vuelve más fácil.
Condiciones iniciales
A partir de las condiciones iniciales, el planeta está en órbita alrededor del sol, y un asteroide está en una órbita diferente sobre el sol.
Para que la captura sea posible, el asteroide y el planeta deben acercarse. Cuando el asteroide entra dentro de la Esfera de influencia del planeta, la gravedad del planeta es el factor principal para determinar el camino del asteroide.
Posibles resultados
En relación con el planeta, el asteroide seguirá una trayectoria hiperbólica y, por lo tanto, tiene suficiente energía cinética para evitar la captura. Pueden producirse una gran variedad de resultados, pero los que conducen a la captura son aquellos en los que el asteroide de alguna manera pierde suficiente energía cinética para que su velocidad caiga por debajo de la velocidad de escape del planeta mientras retiene suficiente energía para lograr una órbita cerrada (elíptica). Los principales (no los únicos) resultados posibles son
La órbita del asteroide está perturbada, en mayor o menor medida, y continúa saliendo de la esfera de influencia del planeta.
la órbita del asteroide está perturbada y el asteroide impacta la superficie del planeta. Por lo general, ese sería el final del proceso, pero las teorías actuales sobre cómo la Tierra capturó la Luna son que un cuerpo llamado Thea impactó la Tierra , y la Luna se formó a partir de algunos de los escombros de la colisión.
la órbita del asteroide está perturbada, y el camino del asteroide se cruza con la atmósfera del planeta, perdiendo energía cinética como calor en la atmósfera (similar al frenado aéreo ).
La órbita del asteroide se acerca a una luna existente del planeta y es acelerada (en el sentido de que la desaceleración es solo la aceleración con el signo opuesto) por la luna existente, tal como la utiliza la nave espacial MESSENGER para reducir su velocidad antes de orbitar Mercurio.
Los dos últimos casos admiten la posibilidad de captura.
Posible captura
Después de perder energía en la atmósfera planetaria, si el asteroide ha perdido suficiente energía, puede entrar en una órbita cerrada alrededor del planeta. El problema es que la órbita volverá a cruzarse con la atmósfera, perdiendo energía cada vez que lo hace, hasta que impacta en la superficie planetaria. La captura puede ocurrir cuando una luna existente está presente y está en el lugar correcto para que su gravedad reduzca la excentricidad de la órbita del asteroide.
Entonces, el caso más probable en el que un planeta puede capturar un asteroide libre es cuando ya hay una o más lunas presentes. El asteroide entrante debe evitar entrar en la esfera de la colina de la luna existente, la región donde la luna dominaría el camino del asteroide.
La asistencia por gravedad puede acelerar un asteroide cuando el asteroide está pasando fuera de la órbita de la luna, pero puede desacelerar el asteroide está pasando dentro de la órbita de la luna. En este caso, parte de la energía cinética del asteroide se transfiere a la luna. Como es el caso con la captura de frenado aerodinámico, la captura asistida por gravedad requiere que la luna existente esté en el lugar correcto.
Otro mecanismo
Un artículo bastante elegante publicado en Nature (mencionado a continuación) muestra cómo dos cuerpos en órbita alrededor del planeta podrían haber llevado a Neptuno a capturar uno. Este mecanismo también podría aplicarse en otros casos. Esta disertación (pdf) discute un proceso similar para Júpiter.
Cuerpos irregulares
Resulta que los cuerpos de forma irregular pueden capturarse más fácilmente que los cuerpos esféricos. Orbitar dentro de la esfera Hill del planeta no es suficiente para que la captura sea permanente. Solo las órbitas en la mitad inferior de la esfera Hill son estables. Los cuerpos en órbitas más altas pueden ser perturbados por planetas cercanos, y el cuerpo eventualmente puede ser expulsado. Pero los cuerpos de forma irregular ejercen fluctuaciones diminutas en la atracción gravitacional en el planeta, y en realidad orbitan en una mansión caótica. Cuando hay otras lunas o anillos, estas órbitas caóticas transfieren energía gradualmente a los cuerpos en las órbitas inferiores, haciendo que el nuevo cuerpo orbite más bajo y, por lo tanto, se vuelva inmune a la perturbación externa. [cita requerida]
Órbitas prorrateadas vs retrógradas
El mismo análisis de órbitas caóticas, y trabajos anteriores también concluyeron que las órbitas retrógradas son más estables que las órbitas programadas . Mientras que las órbitas programadas solo son estables en la mitad interna de la esfera de Hill, las órbitas retrógradas pueden ser estables al 100% del radio de Hill . Por lo tanto, la captura retrógrada se observa con mayor frecuencia (esta no es toda la historia, todavía es un asunto de investigación).
Múltiples lunas existentes, anillos y el Sistema Solar temprano
Si bien la probabilidad de que una sola luna esté en el lugar correcto en el momento correcto es baja, cuando hay varias lunas, la probabilidad de una interacción útil inicial aumenta linealmente. Pero la probabilidad de interacciones adicionales aumenta geométricamente, por lo que cuantas más lunas tenga un planeta, más posibilidades tendrá de capturar más. La existencia de anillos también ayuda a la captura ejerciendo un arrastre en la luna nueva, tomando su energía y bajando su órbita, de la misma manera que lo haría el gas no capturado en el Sistema Solar temprano.
Los planetas más grandes tienen más lunas.
Puede ser obvio, pero los planetas más grandes tienen más lunas. Esto se debe a que tienen pozos de gravedad más profundos y barren más objetos. A pesar de que la probabilidad de captura es baja (la mayoría de los objetos son arrastrados al planeta), un goteo constante ha capturado más de millones de órbitas.
Conclusión
Cada mecanismo de captura requiere un conjunto fortuito de condiciones, por lo que en realidad es un evento bastante raro. Un mecanismo es que un par de asteroides en órbita se separan cuando uno entra en la esfera planetaria de Hill. Las probabilidades de un asteroide individual mejoran cuando el asteroide llega con baja energía cinética que debe ser entregada a otros cuerpos que orbitan el planeta, y cuando ya hay muchas lunas o un sistema de anillos.
Ver también
¿Podría la gravedad de la Tierra capturar un asteroide? - earthsky.org
Dinámica de lunas distantes de asteroides - Ícaro (pdf)
Hipótesis: Nueva evidencia sobre el origen de la Luna apoya la teoría de colisión cataclísmica
La captura de Neptuno de su luna Tritón en un encuentro gravitacional de planeta binario - Nature
Hoja de datos planetarios - NASA
El uso de la energía de dos cuerpos para estudiar problemas de escape / captura (pdf)
Wikipedia
Aerobraking
Órbita elíptica
Velocidad de escape
Esfera de la colina
Trayectoria hiperbólica Asistente de
gravedad
Movimiento retrógrado y prograde
Esfera de influencia
Thea
fuente
Hay dos efectos que alteran la órbita relativa hiperbólica (o elíptica) simple de cualquier cuerpo menor ("luna") y un planeta.
Primero, la gravedad del Sol (y en un grado mucho menor de Júpiter). Para una buena aproximación, el sistema planeta-Sol es un binario circular y la luna una partícula de prueba (su masa es insignificante). Las órbitas de las partículas de prueba en dicho sistema (conocido como el problema restringido de tres cuerpos) son complicadas, pero la energía de Jacobi impide la captura (similar a la conservación del momento angular para la órbita hiperbólica). Por lo tanto, la captura requiere una desviación de esta aproximación, en particular la masa de la luna no debe ser demasiado pequeña y / u otro cuerpo que interactúa participa (la página de Wikipedia sobre captura de asteroides es bastante decepcionante).
En segundo lugar, las fuerzas de marea pueden transferir energía orbital a energía interna (del planeta y / o la luna), que luego se disipa (se convierte en calor). En circunstancias afortunadas, este proceso puede ser suficiente para convertir una órbita no vinculada a una vinculada. Una vez vinculadas, las mareas continuarán uniendo la luna cada vez más.
fuente