Jak chwytane są księżyce?

Obiekt wielkości Księżyca biegnie swobodnie w Układzie Słonecznym, być może po zderzeniu planetarnym. Zbliżając się do planety, prawdopodobnie podąża ścieżką w przybliżeniu hiperboliczną. Jeśli przeminie, nadal znajduje się na tej samej hiperboli, na krzywej odzwierciedlającej jej podejście (prawdopodobnie). Jak planeta może ją kiedykolwiek uchwycić, niezależnie od prędkości ciała? Dlaczego nie koliduje ani nie przemija?

Jak planeta może uchwycić księżyc?

Według Układu Słonecznego NASA w Układzie Słonecznym znajduje się 178 księżyców , więc wydaje się, że jest to częste wydarzenie. Poniższe sekcje pokażą, że przechwytywanie księżyca jest w rzeczywistości mało prawdopodobne, ale gdy planeta ma jeden lub więcej księżyców, przechwytywanie staje się łatwiejsze.

Warunki początkowe

Zaczynając od warunków początkowych, planeta znajduje się na orbicie wokół Słońca, a asteroida znajduje się na innej orbicie wokół Słońca.

Aby uchwycenie stało się możliwe, asteroida i planeta muszą się zbliżyć. Kiedy asteroida wchodzi do Sfery wpływów planety, grawitacja planety jest głównym czynnikiem determinującym drogę asteroidy.

Możliwe rezultaty

W odniesieniu do planety, asteroida będzie podążać trajektorią hiperboliczną , a zatem ma wystarczającą energię kinetyczną, aby uniknąć przechwytywania. Może wystąpić duża różnorodność wyników, ale te, które prowadzą do przechwytywania, to te, w których asteroida w jakiś sposób traci wystarczającą energię kinetyczną, aby jej prędkość spadła poniżej prędkości ucieczki planety, zachowując wystarczającą ilość energii, aby osiągnąć zamkniętą (eliptyczną) orbitę. Główne (nie jedyne) możliwe wyniki to

• orbita asteroidy jest zaburzona, w większym lub mniejszym stopniu, i wychodzi ona poza sferę wpływów planety.

• orbita asteroidy jest zaburzona, a asteroida uderza w powierzchnię planety. Zwykle byłby to koniec procesu, ale obecne teorie, w jaki sposób Ziemia schwytała Księżyc, są takie, że ciało o imieniu Thea uderzyło w Ziemię , a Księżyc uformował się z niektórych szczątków zderzeniowych.

• orbita asteroidy jest zaburzona, a ścieżka asteroidy przecina atmosferę planety, tracąc energię kinetyczną w postaci ciepła w atmosferze (podobnie do aerobrakingu ).

• orbita asteroidy zbliża się do istniejącego księżyca planety i jest przyspieszana (w tym sensie, że spowalnianie jest po prostu przyspieszeniem o przeciwnym znaku) przez istniejący księżyc, tak jak statek kosmiczny MESSENGER spowalnia prędkość przed okrążeniem Merkurego.

Ostatnie dwa przypadki dopuszczają możliwość schwytania.

Możliwe przechwytywanie

Po utracie energii w atmosferze planetarnej, jeśli asteroida straci wystarczającą ilość energii, może wejść na zamkniętą orbitę wokół planety. Problem polega na tym, że orbita ponownie przecina atmosferę, tracąc energię za każdym razem, gdy to robi, aż uderzy w powierzchnię planety. Wychwytywanie może nastąpić, gdy obecny księżyc jest obecny i znajduje się we właściwym miejscu swojej grawitacji, aby zmniejszyć mimośrodowość orbity asteroidy.

Najbardziej prawdopodobnym przypadkiem, w którym planeta może uchwycić wolną asteroidę, jest już obecny jeden lub więcej księżyców. Nadchodząca asteroida musi unikać wejścia w kulę Hill istniejącego księżyca - regionu, w którym księżyc dominowałby na drodze asteroidy.

Gravity pomóc może przyspieszyć asteroidę gdy asteroida przechodzi poza orbitą Księżyca, ale może spowolnić asteroida przechodzi wewnątrz orbity Księżyca. W tym przypadku część energii kinetycznej asteroidy jest przenoszona na księżyc. Podobnie jak w przypadku chwytania aerobrakowego, przechwytywanie wspomagane grawitacyjnie wymaga, aby istniejący księżyc znalazł się we właściwym miejscu.

Kolejny mechanizm

Dość elegancki artykuł opublikowany w „Nature” (wspomniany poniżej) pokazuje, jak dwa ciała krążące wokół siebie , zbliżając się do planety, mogły doprowadzić do schwytania jednego z nich przez Neptuna. Mechanizm ten może mieć zastosowanie również w innych przypadkach. Niniejsza rozprawa (pdf) omawia podobny proces dla Jowisza.

Nieregularne ciała

Okazuje się, że ciała o nieregularnym kształcie można łatwiej uchwycić niż ciała sferyczne. Orbitowanie w obrębie sfery Hill planety nie wystarczy, aby uchwycenie było trwałe. Tylko orbity w dolnej połowie kuli Hill są stabilne. Ciała na wyższych orbitach mogą być zaburzone przez pobliskie planety, a ciało może zostać ostatecznie wyrzucone. Ale ciała o nieregularnym kształcie wywierają niewielkie wahania przyciągania grawitacyjnego na planetę i faktycznie krążą w chaotycznym dworze. Gdy obecne są inne księżyce lub pierścienie, te chaotyczne orbity stopniowo przenoszą energię do ciał na niższych orbitach, powodując, że nowe ciało orbituje niżej, a tym samym staje się odporne na zewnętrzne zakłócenia. [wymagany cytat]

Prograde vs orbity wsteczne

Ta sama analiza chaotycznych orbit i wcześniejsze prace także wykazały, że orbity wsteczne są bardziej stabilne niż orbity wsteczne . Podczas gdy orbity prograde są stabilne tylko w wewnętrznej połowie kuli Hill, orbity wsteczne mogą być stabilne do 100% promienia Hill . W związku z tym częściej obserwuje się przechwytywanie wsteczne (to nie jest cała historia, to nadal kwestia, czy badania).

Wiele istniejących księżyców, pierścieni i wczesnego Układu Słonecznego

Podczas gdy prawdopodobieństwo, że pojedynczy księżyc znajdzie się we właściwym miejscu we właściwym czasie, jest niskie, gdy istnieje wiele księżyców, prawdopodobieństwo początkowej pomocnej interakcji wzrasta liniowo. Ale prawdopodobieństwo dodatkowych interakcji wzrasta geometrycznie, więc im więcej księżyców ma planeta, tym bardziej prawdopodobne jest, że będzie więcej chwytać. Istnienie pierścieni pomaga również w wychwytywaniu poprzez wywieranie oporu na nowiu, zabieranie jego energii i obniżanie jej orbity, podobnie jak w przypadku wczesnego Układu Słonecznego.

Największe planety mają najwięcej księżyców

Może to być oczywiste, ale największe planety mają najwięcej księżyców. Jest tak, ponieważ mają głębsze studnie grawitacyjne i zamiatają więcej obiektów. Chociaż prawdopodobieństwo przechwycenia jest niskie (większość obiektów jest po prostu wciągnięta w planetę), stała strużka przechwyciła miliony orbit.

Wniosek

Każdy mechanizm przechwytywania wymaga losowego zestawu warunków, a zatem jest to dość rzadkie zdarzenie. Jednym z mechanizmów jest to, że para krążących wokół planetoid zostaje rozdzielona, ​​gdy wejdzie się na planetarną sferę Hill. Szanse na pojedynczą asteroidę są zwiększone, gdy asteroida przybywa z niską energią kinetyczną, którą należy oddać innym ciałom krążącym wokół planety, i gdy jest już wiele księżyców lub układu pierścieniowego.

Zobacz też

• Czy ziemska grawitacja może uchwycić asteroidę? - earthsky.org

• Dynamika odległych księżyców planetoid - Icarus (pdf)

• Hipoteza: Nowe dowody dotyczące powstania Księżyca wspierają teorię zderzenia kataklizmicznego

• Ujęcie Neptuna przez księżyc Trytona podczas spotkania grawitacyjnego z planetą binarną - Naturą

• Planeta faktów - NASA

• Wykorzystanie energii dwóch ciał do badania problemów związanych z ucieczką / chwytaniem (pdf)

• Wikipedia
  Aerobraking
  Orbita eliptyczna
  Prędkość ucieczki
  Kula wzgórza
  Trajektoria hiperboliczna Asystent
  grawitacyjny
  Ruch wsteczny i wsteczny
  Kula wpływu
  Thea

Istnieją dwa efekty, które zmieniają prostą hiperboliczną (lub eliptyczną) względną orbitę dowolnego mniejszego ciała („księżyca”) i planety.

Po pierwsze, grawitacja Słońca (i w znacznie mniejszym stopniu Jowisza). Dla dobrego przybliżenia układ planeta-słońce jest kolistym układem podwójnym, a księżyc cząstką testową (jej masa jest pomijalna). Orbity badanych cząstek w takim układzie (znane jako ograniczony problem trzech ciał) są skomplikowane, ale energia Jacobiego uniemożliwia wychwycenie (podobnie do zachowania momentu pędu na orbicie hiperbolicznej). Dlatego przechwytywanie wymaga odchylenia od tego przybliżenia, w szczególności masa księżyca nie może być zbyt mała i / lub uczestniczy inne oddziaływanie ciała (strona Wikipedii na temat przechwytywania asteroid jest dość rozczarowująca).

Po drugie, siły pływowe mogą przenosić energię orbitalną na energię wewnętrzną (planety i / lub księżyca), która następnie jest rozpraszana (przekształcana w ciepło). W szczęśliwych okolicznościach proces ten może wystarczyć do przekształcenia niezwiązanego na ograniczoną orbitę. Po związaniu pływy będą nadal wiązać księżyc coraz bardziej.