Как захватываются луны?

Объект размером с луну свободно выскакивает в Солнечной системе, возможно, после столкновения планет. По мере приближения к планете, он, вероятно, следует приблизительно по гиперболическому пути. Если он проходит мимо, он все еще находится на той же гиперболе, на кривой, отражающей его подход (предположительно). Как планета может захватить ее, независимо от скорости тела? Почему он не сталкивается или не проходит мимо?

Как планета может захватить луну?

В соответствии с Планетарным фактическим бюллетенем НАСА, в Солнечной системе насчитывается 178 лун , поэтому это, похоже , обычное явление. В следующих разделах будет показано, что захват луны на самом деле маловероятен, но когда на планете есть одна или несколько лун, захват становится легче.

Первоначальные условия

Исходя из начальных условий, планета находится на орбите вокруг Солнца, а астероид на другой орбите вокруг Солнца.

Чтобы захват стал возможным, астероид и планета должны приблизиться. Когда астероид попадает внутрь сферы влияния планеты, гравитация планеты является основным фактором, определяющим путь астероида.

Возможные результаты

По отношению к планете астероид будет следовать гиперболической траектории и, следовательно, будет обладать достаточной кинетической энергией, чтобы избежать захвата. Может произойти большое разнообразие результатов, но те, которые приводят к захвату, - это те, в которых астероид каким-то образом теряет достаточно кинетической энергии, чтобы его скорость падала ниже скорости выхода планеты, сохраняя при этом достаточно энергии для достижения замкнутой (эллиптической) орбиты. Основные (не единственные) возможные результаты

• орбита астероида в большей или меньшей степени возмущена и продолжает выходить из сферы влияния планеты.

• орбита астероида возмущена, и астероид воздействует на поверхность планеты. Обычно это будет конец процесса, но современные теории о том, как Земля захватила Луну, заключаются в том, что тело по имени Тея воздействовало на Землю , и Луна образовалась из некоторых обломков столкновения.

• орбита астероида возмущена, и путь астероида пересекает атмосферу планеты, теряя кинетическую энергию в виде тепла в атмосфере (аналогично аэробрейкингу ).

• орбита астероида приближается к существующей луне планеты и ускоряется (в том смысле, что замедление - это просто ускорение с противоположным знаком) существующей луной, используемой космическим кораблем MESSENGER для замедления скорости перед вращением вокруг Меркурия.

Последние два случая допускают возможность захвата.

Возможный захват

Потеряв энергию в атмосфере планеты, если астероид потерял достаточно энергии, он может выйти на замкнутую орбиту вокруг планеты. Проблема состоит в том, что орбита будет пересекать атмосферу снова, теряя энергию каждый раз, когда это происходит, до тех пор, пока она не коснется поверхности планеты. Захват может произойти, когда существующая луна присутствует и находится как раз в нужном месте для гравитации, чтобы уменьшить эксцентриситет орбиты астероида.

Таким образом, наиболее вероятный случай, когда планета может захватить свободный астероид, - это когда уже присутствует одна или несколько лун. Наступающий астероид должен избегать попадания в сферу Хилла существующей луны - области, где луна будет доминировать на пути астероида.

Гравитационная помощь может ускорить астероид, когда астероид проходит за пределами орбиты Луны, но может замедлить астероид, проходящий внутри орбиты Луны. В этом случае часть кинетической энергии астероида передается на Луну. Как и в случае с аэробрейкингом, для гравитационного захвата требуется, чтобы существующая луна находилась как раз в нужном месте.

Еще один механизм

Довольно элегантная статья, опубликованная в журнале Nature (упоминается ниже), показывает, как два тела, вращающиеся вокруг друг друга при приближении к планете, могли привести к тому, что одно из них было захвачено Нептуном. Этот механизм может применяться и в других случаях. В этой диссертации (pdf) обсуждается аналогичный процесс для Юпитера.

Нерегулярные тела

Оказывается, что тела неправильной формы могут быть захвачены легче, чем сферические тела. Вращения внутри сферы Хилла планеты недостаточно, чтобы захват был постоянным. Только орбиты в нижней половине сферы Хилла устойчивы. Тела на более высоких орбитах могут быть возмущены близлежащими планетами, и тело может быть в конечном итоге выброшено. Но тела неправильной формы вызывают незначительные колебания гравитационного притяжения на планете и фактически вращаются в хаотическом поместье. Когда присутствуют другие луны или кольца, эти хаотические орбиты постепенно передают энергию телам на более низких орбитах, в результате чего новое тело выходит на орбиту ниже и, следовательно, становится невосприимчивым к внешним возмущениям. [нужна цитата]

Прогресс против ретроградных орбит

Тот же анализ хаотических орбит и более ранняя работа также пришли к выводу, что ретроградные орбиты более стабильны, чем прогрессивные орбиты . В то время как орбитальные орбиты стабильны только во внутренней половине сферы Хилла, ретроградные орбиты могут быть стабильными до 100% радиуса Хилла . Следовательно, ретроградный захват чаще наблюдается (это не вся история, это все еще вопрос исследования).

Несколько существующих лун, колец и ранняя Солнечная система

В то время как вероятность того, что одна луна окажется в нужном месте в нужное время, невелика, при наличии нескольких лун вероятность начального полезного взаимодействия возрастает линейно. Но вероятность дополнительных взаимодействий возрастает геометрически, поэтому, чем больше лун на планете, тем больше вероятность, что она захватит больше. Наличие колец также помогает захвату, оказывая сопротивление на новолуние, забирая его энергию и понижая его орбиту, во многом так же, как это делал бы необработанный газ в ранней Солнечной системе.

У самых больших планет больше всего лун

Это может быть очевидно, но у самых больших планет больше всего лун. Это потому, что они имеют более глубокие гравитационные колодцы и проникают в большее количество объектов. Несмотря на то, что вероятность захвата мала (большинство объектов просто втягиваются на планету), устойчивые струйки охватили миллионы орбит.

Вывод

Каждый механизм захвата требует случайного набора условий, и это на самом деле довольно редкое событие. Один механизм заключается в том, что пара со-вращающихся астероидов разделяется, когда кто-то входит в сферу Планетарного Холма. Шансы для отдельного астероида улучшаются, когда астероид прибывает с низкой кинетической энергией, которая должна быть отдана другим телам, вращающимся вокруг планеты, и когда уже есть много лун или кольцевая система.

Смотрите также

• Может ли гравитация Земли захватить астероид? - earthsky.org

• Динамика отдаленных лун астероидов - Икар (pdf)

• Гипотеза: новые доказательства происхождения Луны подтверждают теорию катаклизмов

• Захват Нептуном своей луны Тритона в гравитационном столкновении двойной планеты - Природа

• Планетарный информационный бюллетень - НАСА

• Использование энергии двух тел для изучения проблем побега / захвата (pdf)

• Википедия
  Аэробрейкинг
  Эллиптическая орбита
  Скорость побега
  Сфера холма
  Гиперболическая траектория
  Содействие гравитации
  Ретроградное и постепенное движение
  Сфера влияния
  Теа

Есть два эффекта, которые изменяют простую гиперболическую (или эллиптическую) относительную орбиту любого второстепенного тела («луны») и планеты.

Во-первых, гравитация Солнца (и в гораздо меньшей степени Юпитера). В хорошем приближении система планета-Солнце представляет собой круговую двойную систему, а Луна - пробную частицу (ее масса незначительна). Орбиты пробных частиц в такой системе (известной как ограниченная задача трех тел) сложны, но энергия Якоби , предотвращающая захват (аналогична сохранению углового момента для гиперболической орбиты). Следовательно, захват требует отклонения от этого приближения, в частности масса Луны не должна быть слишком маленькой, и / или другое взаимодействующее тело участвует (страница Википедии о захвате астероида весьма разочаровывает).

Во-вторых, приливные силы могут передавать орбитальную энергию во внутреннюю энергию (планеты и / или луны), которая затем рассеивается (преобразуется в тепло). При удачных обстоятельствах этого процесса может быть достаточно, чтобы преобразовать несвязанную орбиту в связанную. Приливы и отливы будут связывать Луну все больше и больше.