Comenzó con un estallido
El Universo está ahí, esperando a que lo descubras
Se sabe que el sistema de Saturno tiene un número increíble de anillos y lunas, sin embargo, ninguna de las lunas que conocemos tiene lunas propias. Crédito de la imagen: NASA / JPL
Por Ethan Siegel para Forbes 9 de Junio de 2017
Las opiniones de Ethan Siegel, no necesariamente las de Forbes
En el Sistema Solar tenemos el Sol central, un gran número de planetas, asteroides, objetos del cinturón de Kuiper y lunas. Mientras que la mayoría de los planetas tienen lunas, y algunos de los objetos del cinturón de Kuiper e incluso los asteroides tienen satélites naturales que los orbitan, no hay "lunas de lunas" conocidas por ahí. Puede que no sea porque no tenemos suerte; Puede haber algunas reglas fundamentalmente importantes de la astrofísica que hacen extraordinariamente difícil que un objeto de este tipo exista establemente.
Cuando todo lo que tienes es un objeto único, masivo en el espacio a considerar, todo parece bastante sencillo. Usted intuiría que la gravitación sería la única fuerza en acción, por lo que sería capaz de colocar cualquier objeto en una órbita estable, elíptica o circular alrededor de ella. Debajo de esa disposición, usted esperaría que continuaría de esa manera para siempre. Pero hay otros factores en juego, entre ellos el hecho de que:
● Este objeto puede tener algún tipo de atmósfera, o un difuso "halo" de partículas a su alrededor,
● Este objeto no es necesariamente estacionario, sino que puede girar - quizás rápidamente - alrededor de un eje,
● Y que este objeto no está necesariamente tan aislado como inicialmente lo imaginó.
Las fuerzas de las mareas que actúan sobre la luna Encelado de Saturno son suficientes para separar su corteza helada y calentar el interior, permitiendo que el océano subterráneo explote cientos de kilómetros en el espacio. Crédito de la imagen: NASA / JPL-Caltech / Cassini
El primer factor, una atmósfera, sólo importa en los casos más extremos. Normalmente, un objeto orbitando un mundo masivo y sólido sin atmósfera simplemente tendría que evitar la superficie del objeto, y podría permanecer girando a su alrededor para siempre. Pero si lanzas en presencia de una atmósfera, incluso una increíblemente difusa, cualquier cuerpo en órbita tendrá que lidiar con los átomos y partículas que rodean a la masa central.
A pesar de que normalmente pensamos en nuestra atmósfera como tener un "fin" y el espacio que comienza más allá de una cierta altitud, la realidad es que las atmósferas simplemente se adelgazan cuando se va a elevaciones más altas y más altas. La atmósfera de la Tierra continúa por muchos cientos de kilómetros; Incluso la estación espacial internacional algún día se desintegrará y se encontrará con un destino ardiente a menos que continuamente lo impulsemos. Sobre la escala de tiempo del Sistema Solar de miles de millones de años, el punto es que los cuerpos en órbita necesitan estar a cierta distancia de cualquier masa que orbiten para ser "seguros".
Si un satélite es natural o artificial no importa mucho; Si está en una órbita cercana a un mundo con una atmósfera substancial, la órbita se decaerá y caerá de nuevo en el mundo principal. Todos los satélites en órbita terrestre baja lo harán, al igual que la luna Phobos de Marte. Crédito de la imagen: NASA / Orion program / Ames
Además, un objeto puede girar. Esto se aplica tanto a la masa grande como a la más pequeña que orbita. Hay un punto "estable", donde ambas masas están bloqueadas tidalmente entre sí (donde ambas tienen siempre el mismo lado apuntando una a la otra), pero si tiene alguna otra configuración, habrá algún "torquing" ocurriendo. Este par puede funcionar para espiralar las dos masas hacia dentro (si la rotación es demasiado lenta) o hacia fuera (si la rotación es demasiado rápida) para que se produzca el bloqueo. En otras palabras, la mayoría de los satélites no comienzan en la configuración ideal! Pero hay un factor más que tenemos que tirar para llegar a la cuestión de las "lunas de lunas" y ver realmente donde está la dificultad.
Un modelo del sistema de Plutón / Caronte muestra las dos masas principales que orbitan entre sí. El nuevo vuelo de los Horizontes demostró que no había lunas de Plutón o Caronte que fueran interiores a sus órbitas mutuas. Crédito de la imagen: Wikimedia Commons user Stephanie Hoover
El hecho de que un objeto no está aislado es un gran problema. Es mucho más fácil mantener un objeto en órbita alrededor de una sola masa - como una luna alrededor de un planeta, un pequeño asteroide alrededor de uno grande, o Charon alrededor de Plutón - que mantener un objeto en órbita alrededor de una masa que orbita Otra masa. Este es un factor enorme, y no es uno que normalmente consideramos. Pero piénselo por un momento desde la perspectiva de nuestro planeta más íntimo, sin luna, Mercurio.
Mosaico global del planeta Mercurio por la nave espacial Messenger de la NASA. Crédito de la imagen: NASA-APL
Mercurio orbita nuestro Sol con relativa rapidez, y por lo tanto tanto las fuerzas gravitacionales como las de marea son muy grandes. Si hubiera algo más en órbita alrededor de Mercurio, ahora habría un gran número de factores adicionales en juego
1. El "viento" del Sol (el flujo de partículas hacia fuera) chocaría tanto con Mercurio como con el objeto que lo orbitaba, perturbando las órbitas.
2. El calor que el Sol aplica a la superficie de Mercurio puede resultar en una extensión de la atmósfera de Mercurio. Aunque Mercurio es airless, las partículas en la superficie se calientan y se lanzan al espacio, creando una atmósfera tenue pero no despreciable.
3. Y finalmente, hay una tercera masa que quiere causar el último bloqueo de la marea: tener no sólo esa pequeña masa y Mercurio encerrados entre sí, sino tener a Mercurio bloqueando al Sol.
Esto significa que, para cualquier satélite de Mercurio, hay dos lugares limitantes.
Cada planeta que orbita una estrella será más estable cuando está bloqueado tidalmente: donde coinciden sus períodos orbital y de rotación. Si se agrega otro objeto orbitando un planeta, la órbita más estable estará en el bloqueo de marea con el planeta y la estrella, cerca del punto L2. Crédito de la imagen: NASA
Si el satélite está demasiado cerca de Mercurio de varias maneras:
● El satélite no está girando lo suficientemente rápido para su distancia,
● Mercurio no está girando lo suficientemente rápido para lograr el bloqueo de las mareas con el Sol,
● Susceptible a la desaceleración del viento solar,
● O sujeto a fricción suficiente de la atmósfera mercuriana,
Finalmente se estrellará contra la superficie de Mercurio.
Cuando un objeto choca con un planeta, puede arrancar los escombros y conducir a la formación de lunas cercanas. Aquí es donde la Luna de la Tierra vino, y también donde se cree que las lunas de Marte y Plutón surgieron también. Crédito de la imagen: NASA/JPL-Caltech
Y en el reverso, corre el riesgo de ser expulsado de la órbita de Mercurio por ser empujado lejos si el satélite es demasiado distante y otras consideraciones se aplican:
● El satélite rota demasiado rápido para su distancia,
● Mercurio gira demasiado rápido para quedar bloqueado con el Sol,
● El viento solar imparte velocidad adicional al satélite,
● Los efectos perturbadores de otros planetas trabajan para expulsar una tenue tenue luna o satélite,
● O el calentamiento desde el Sol imparte energía cinética adicional a un satélite suficientemente pequeño.
Configuraciones particulares, con el tiempo, pueden resultar en la expulsión de satélites inestables o lunas de sistemas planetarios. Crédito de la imagen: Shantanu Basu, Eduard I. Vorobyov, and Alexander L. DeSouza; http://arxiv.org/abs/1208.3713
Ahora, con todo lo dicho, hay planetas por ahí con lunas! Mientras que un sistema de tres cuerpos nunca es verdaderamente estable a menos que usted esté en esa configuración perfecta aludida anterior, podemos alcanzar la estabilidad en escalas de tiempo de billones de años en las circunstancias correctas. Hay algunas condiciones que lo hacen más fácil:
1. Que el planeta / asteroide que es la masa principal del sistema esté lo suficientemente lejos del Sol para que el viento solar, el flujo de la luz solar y las fuerzas de marea del Sol sean todos pequeños.
2. Haga que el satélite de ese planeta / asteroide esté lo suficientemente cerca del cuerpo principal para que no esté demasiado suelto, gravitacionalmente, de modo que es poco probable que sea expulsado de otras interacciones gravitacionales o mecánicas.
3. Haga que el satélite de ese planeta / asteroide esté lo suficientemente lejos del cuerpo principal para que los efectos de marea, fricción u otros no lo hagan inspiral y se fusionen con el cuerpo de los padres.
Como habréis podido adivinar, hay un "punto dulce" para que una luna exista alrededor de los planetas: unas pocas veces más lejos que el radio del planeta, pero lo suficientemente cerca como para que el período orbital no sea demasiado largo: todavía significativamente más corto que el orbital del planeta Período alrededor de su estrella. Así que con todo esto en mente, ¿dónde están los satélites de lunas en nuestro sistema solar?
Los asteroides presentes en el cinturón principal y los asteroides troyanos alrededor de Júpiter pueden tener satélites propios, pero estos objetos no califican como lunas. Crédito de la imagen: Nature
Lo más cercano que tenemos es que tenemos asteroides troyanos con satélites propios, pero como ninguno de estos son lunas de Júpiter, eso no encaja perfectamente con el proyecto de ley. ¿Entonces que?
La respuesta corta es que es poco probable que veamos una en absoluto, pero hay esperanza. Los mundos gigantes de gas son bastante estables, y bastante lejos del Sol. Ellos tienen un montón de lunas, muchas de las cuales ya están influidas por fuerzas de marea a su mundo paternal. Las lunas más grandes son las mejores candidatas que tenemos para los satélites habitables. Los mejores candidatos serían:
● Tan masiva como sea posible,
● Relativamente lejos del cuerpo padre para minimizar el riesgo espiral,
● No tan lejos que hay una posibilidad de una eyección fácil,
● Y - éste es un nuevo - bien-separado de cualquier otra lunas, anillos, o satélites que podrían perturbar su sistema.
Las lunas principales de nuestro Sistema Solar podrían contener algunos objetos con candidatos para potencialmente tener lunas en órbita propia. Si muchas de estas lunas estuvieran situadas de manera diferente, los astrónomos las definirían como planetas. Crédito de la imagen: Emily Lakdawalla, via http://www.planetary.org/multimedia/space-images/charts/the-not-planets.html. The Moon: Gari Arrillaga. Other data: NASA/JPL/JHUAPL/SwRI/UCLA/MPS/IDA. Processing by Ted Stryk, Gordan Ugarkovic, Emily Lakdawalla, and Jason Perry
Con todo eso dicho, ¿cuáles son los mejores candidatos para lunas en nuestro Sistema Solar que podrían tener lunas estables propias?
● La luna de Júpiter Callisto: la más externa de todos los satélites mayores de Júpiter a 1.883.000 km, Callisto es también grande con un radio de 2.410 km. Se necesita relativamente largo para orbitar Júpiter a 16,7 días, y tiene una velocidad de escape considerable de 2,44 km / s.
● La luna de Júpiter Ganímedes: la luna más grande del sistema solar (2,634 km de radio), Ganímedes está lejos de Júpiter (1,070,000 km), pero posiblemente no lo suficientemente lejos. (Es sólo un 50% de la distancia externa a la órbita de Europa.) Tiene la velocidad de escape más alta de cualquiera de las lunas del Sistema Solar (a 2,74 km / s), pero el sistema joviano muy poblado hace menos probable que cualquiera de Los satélites de Júpiter tienen lunas.
● La luna de Saturno Iapetus: no es tan grande (734 km de radio), pero Iapetus está lejos de Saturno a una distancia orbital media de 3.561.000 km de nuestro planeta anillado. Está bien fuera de los anillos de Saturno y bien separado de todas las otras lunas principales. La desventaja es su baja masa y tamaño: solo necesita viajar a 573 metros por segundo para escapar de la superficie de Iapetus.
● Luna de Urano Titania: a 788 km de radio, es la luna más grande de Urano, situada a unos 436.000 km de Urano y teniendo 8,7 días en órbita.
● Luna de Urano Oberón: La segunda luna más grande (761 km) pero más lejana (584.000 km) de Uranus, toma 13.5 días para orbitar a Urano. Oberon y Titania, sin embargo, están peligrosamente (y posiblemente prohibitivamente) cerca uno del otro para permitir que una "luna-de-una-luna" ocurra alrededor de Urano.
● La luna de Neptuno Tritón: este cinturón de Kuiper capturado Objeto es enorme (1.355 km de radio), distante de Neptuno (355.000 km) y masiva; Un objeto necesita viajar a más de 1,4 km / s para escapar de la gravedad de Tritón. Esta sería, quizás, mi mejor "apuesta" para una luna de un planeta que tenía su propio satélite natural.
Tritón, la luna gigante de Neptuno y un objeto de Cinturón Kuiper capturado, puede ser una de nuestras mejores apuestas para una luna con una luna propia. Pero la Voyager 2 no lo vio. Crédito de la imagen: NASA / JPL / Voyager 2
Pero con todo lo dicho, no me esperaba. Las condiciones para adquirir y retener una Luna-de-una-luna plantean dificultades extremas cuando se considera cuántos objetos gravitacionales perturbativos hay en estos sistemas gigantes de gas. Si tuviera que hacer apuestas, diría que Iapetus y Triton eran los candidatos más probables para tener una "luna-de-una-luna", ya que son los satélites principales más alejados de su mundo, están algo aislados de Otras grandes masas, y la velocidad de escape de la superficie de cada uno de esos mundos es todavía bastante sustancial.
Pero con todo lo dicho, a nuestro leal saber y entender, todavía no sabemos de ninguno. Tal vez este razonamiento también está mal, y nuestra mejor apuesta será realmente en los lejanos alcances del Cinturón de Kuiper o incluso la Nube de Oort, donde simplemente tenemos tantas más oportunidades de las que llegaríamos en nuestro Sistema Solar.
Por supuesto, un objeto de correa de Kuiper necesitaría tener una luna con su propia luna para ser considerada una luna que tiene una luna. Las distancias en juego probablemente tendrían que ser muy grandes; En algún momento, la energía vinculante gravitacional se vuelve muy pequeña y la región que tiene para el éxito es extremadamente estrecha. Crédito de la imagen: Robert Hurt (IPAC)
A nuestro leal saber y entender, estos objetos podrían existir: es posible, pero requiere condiciones muy específicas que tomarían un poco de serendipia. En cuanto a nuestras observaciones, esa chiripa no ocurrió en nuestro Sistema Solar. Pero nunca se sabe: el Universo está lleno de sorpresas. Y cuanto mejor seamos nuestras capacidades, más tendemos a encontrar. No me sorprendería demasiado si la próxima gran misión a Júpiter (u otros gigantes de gas) descubriera este fenómeno exacto! Tal vez lunas de lunas son reales, y sólo tiene una mirada afortunada en el lugar correcto para descubrirlos.
Astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y escritor primario de Starts With A Bang!
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