¿Por qué las lunas no tienen lunas?

Primero, veamos nuestra propia Luna. Probablemente no tenga lunas, al menos no lunas grandes en órbitas cercanas. Tiene satélites artificiales de la Tierra, pero solo pueden permanecer en las llamadas “órbitas congeladas”. La mayoría de sus órbitas potenciales son inestables debido a los Mascons: las concentraciones de masa en la Luna. Sin embargo, podría haber tenido lunares fácilmente si fuera más uniforme en densidad.

Llamaré a estas hipotéticas “lunas de lunas” moonlets en esta respuesta. Las lunares son posibles entre la Esfera de la colina de la luna como el límite más externo y el límite de Roche para el límite más interno, ese es el punto en el que las fuerzas de marea desgarrarán una luna. Las lunas pequeñas también pueden orbitar dentro del límite de Roche, de la misma manera que la ISS orbita bien dentro del límite de Roche para la Tierra. Es solo un límite para objetos grandes.

La esfera de la colina de la Luna está a 60,000 km sobre la superficie. Entonces podría tener lunas desde ese punto de vista.

Cálculo, para órbita circular:

• m = masa de la luna: 7.34767309 × 10 ^ 22
• M = masa de la Tierra = 5.97219 * 10 ^ 24
• a = distancia de la luna (eje semi-mayor) = 384,400 km
• entonces r = 384,400 * raíz cúbica (7.34767309 × 10 ^ 22 / (3 × 5.97219 × 10 ^ 24)

  = 61.529 km. El radio de la Luna es de 1.737 km. Por lo tanto, las órbitas estables deberían ser posibles hasta alrededor de 60,000 km sobre la superficie.

El límite de Roche de la Luna es 9.492 km para un cuerpo rígido y 18.381 para un cuerpo fluido. Límite de Roche – ejemplos seleccionados – Wikipedia – por lo que hay mucho espacio para orbitar lunas entre su límite de Roche y la esfera Hill.

Existe el problema de la descomposición de las mareas de estas órbitas. Si orbita más rápido que el período de rotación de la Luna, girará en espiral hacia adentro. Si orbita más lento, gira en espiral hacia afuera.

Pero eso depende del tamaño de la luna. Si la luna es pequeña, entonces hay fuerzas de marea insignificantes involucradas. La tasa de desintegración de la luna depende del poder 2/13 de su masa (más sobre esto más adelante). Entonces, por ejemplo, una luna de una décima parte del radio, la misma densidad, durará mil veces más. Una luna de solo un metro de diámetro, por ejemplo, duraría 24 veces más que una de un km de diámetro, al menos, si las mareas son lo único que hace que su órbita decaiga.

Una pequeña luna no puede elevar una marea en la Luna de ninguna importancia. Entonces, dependiendo de la situación, una pequeña luna podría orbitar la Luna durante largos períodos de tiempo antes de que la descomposición de las mareas se vuelva significativa.

Pero esto no sucederá en el caso de la Luna debido a los Mascons.

A medida que los satélites orbitan la Luna, sus órbitas son tiradas de una manera y luego de otra por los Mascons, y estos siguen cambiando la forma de las órbitas. Esto no los hace descender en espiral: no es un efecto de marea. En cambio, varía su elipticidad, a veces más y a veces menos elíptica. Finalmente, en la mayoría de las órbitas alrededor de la Luna, las órbitas se vuelven tan elípticas que se cruzan con la superficie de la Luna y la luna se estrella.

“ÓRBITAS CONGELADAS” DE LA LUNA

En un experimento temprano, los astronautas del Apolo lanzaron un satélite PS-1 desde el módulo de comando mientras orbitaba la Luna. Duró más de un año antes de llegar a la Luna. Pero el próximo intento de PS-2 duró solo 35 días.

La PS-2 lanzada desde el módulo de comando por el Apolo 15 duró solo 35 días antes de llegar a la Luna, aunque la PS-1 en una órbita similar duró más de un año, según la impresión del artista, ver NASA – NSSDCA – Nave espacial – Detalles

Debido a las mascoms, algunas órbitas son más estables. Y hay algunas “órbitas congeladas” donde una nave espacial puede orbitar la Luna indefinidamente. Esos son buenos para los planificadores de misiones que desean orbitar la Luna durante mucho tiempo sin usar mucho combustible. Pero sería difícil para un satélite natural entrar en ellos.

Obtuve esto de la página de la NASA: Extrañas órbitas lunares donde dicen

“En realidad, hay una serie de ‘órbitas congeladas’ donde una nave espacial puede permanecer en una órbita lunar baja indefinidamente. Ocurren en cuatro inclinaciones: 27º, 50º, 76º y 86º”.

Con las lunas de las lunas, el efecto de marea no es tan importante en escalas de tiempo cortas. Y después de todo, incluso la órbita de la Luna no es estable indefinidamente, durante miles de millones de años.

Sin embargo, depende de qué tan cerca esté de la Luna. Hay otro tipo de órbita, que orbita la Luna en la dirección opuesta a lo que esperas, llamada Órbita inversa distante o DRO. En esa órbita, la luna está realmente en una especie de órbita alrededor de la Tierra, el mismo período que la Luna pero más elíptica. En principio, podría incluso descender hasta LEO en un extremo de su órbita, y luego ir tan lejos como el otro lado de la Luna en el otro extremo de su órbita, medio mes lunar más tarde.

Por las áreas iguales de Kepler barridas en tiempos iguales, orbitaría la Tierra mucho más rápido que la Luna cuando está entre la Luna y la Tierra, y mucho más lenta cuando esté más lejos. Entonces, comenzando desde una posición detrás de la Luna a la misma distancia de la Tierra que la Luna, alcanzaría a la Luna en el lado de la Tierra, se adelantaría, cruzaría su órbita al salir, reducir la velocidad y luego caer atrás otra vez, pero como se ve desde la Tierra, está constantemente orbitando la Tierra en una dirección.

Como se ve desde la Luna, esto parece una luna de la Luna. Estas órbitas son mucho más estables que las órbitas normales de la Luna y pueden durar al menos un siglo, posiblemente más. Es por eso que la NASA los estudió como una posible forma de devolver un asteroide o una roca de un asteroide a la vecindad de la Luna, a salvo lejos de la Tierra.

Ahora de vez en cuando la Tierra captura mini lunas como esta

Camino de una mini luna simulada. Se acerca a la Tierra a lo largo del camino amarillo, lo orbita de esta manera compleja durante varias “órbitas” y luego escapa nuevamente al espacio interplanetario a lo largo de la línea roja. En cualquier momento, la Tierra probablemente tenga al menos un asteroide de diámetro de un metro o más en una órbita como esta, junto con muchas otras “mini lunas” más pequeñas. El recuadro muestra JM8 de 1999, que es mucho más grande que cualquiera de las mini lunas esperadas, solo se incluye porque se espera que las mini lunas más pequeñas se parezcan mucho a sus primos más grandes, solo que más pequeños. De: Las simulaciones muestran mini lunas orbitando la Tierra

Aunque generalmente terminan orbitando la Tierra, no sé si es posible que una mini luna como esa termine orbitando la Luna, como la idea de recuperación de asteroides, pero parece posible, para eso necesitaría entrar Una órbita que lo lleva alrededor de la Tierra exactamente cada 28 días. Creo que sería bastante difícil entrar porque, supongamos que su órbita es una vez cada 29 días, por ejemplo, pronto llegará a la Luna o será desviada a otra órbita.

Así que creo que es bastante improbable, pero hay muchas mini lunas pequeñas por ahí y no pudimos detectarlas a la distancia de la Luna o incluso en un DRO tan grande que llegaron, por ejemplo, a mitad de camino a la Tierra.

Por lo tanto, dudaría en decir que es imposible que la Luna pueda tener una luna temporal de solo un metro de ancho en este momento, o estirar la definición de luna, tal vez cms en un DRO.

No he encontrado ningún documento ni nada sobre esa idea de ninguna manera. Pero incluso un DRO no es estable a largo plazo, por lo que es poco probable que permanezca allí durante miles de millones de años. A lo sumo unos pocos siglos tal vez.

Sin embargo, eso es solo para nuestra Luna. No puede tener lunas a largo plazo debido a estos enormes Mascons. Para una luna sin mascons, bien podría tener un pequeño satélite que orbita a largo plazo. Incluso hay ideas de lugares en el sistema solar donde puede suceder.

Quizás uno de los mejores candidatos sea la luna de Saturno Rea, su segunda luna más grande. Está muy lejos del planeta, y en un momento se pensó que tenía un sistema de anillos, con la mayoría dentro de su esfera Hill (que es el límite matemático para que las lunas permanezcan a largo plazo).

Si esto fuera cierto, sería la única luna conocida con un sistema de anillos, que podría considerarse como un montón de pequeñas lunares realmente pequeñas.

Impresión artística de los anillos de Rea.

Esto muestra dónde está en relación con los anillos y las otras lunas, un largo camino, aunque no tan lejos como Titán:

Lamentablemente, observaciones posteriores para tratar de confirmar esto no encontraron evidencia de ningún sistema de anillo. “Una historia muy triste”: no hay anillos para Rhea después de todo

Sin embargo, eso no refuta un sistema de anillo, solo muestra que esa línea particular de evidencia no estableció la existencia de un sistema de anillo. El jurado aún no sabe si tiene un sistema de anillos que de alguna manera eludió el descubrimiento porque esas observaciones solo dieron un límite superior en la densidad del anillo: aún podría tener un anillo más delgado que las observaciones originales sugeridas.

También tiene estas intrigantes marcas azules alrededor de su ecuador, que pueden ser las marcas del material del anillo que se desorbita:

Entonces puede ser que forme anillos de vez en cuando. Tal vez tuvo uno en el pasado. Y puede o no tener un sistema de anillo muy delgado en este momento.

Si Rhea tiene un sistema de anillos, entonces, al igual que Saturno, podría tener una luna de pastoreo algo más grande (pero no muy grande) fuera de él, ayudando a mantener el material en su lugar alrededor de la luna.

Rea es un candidato particularmente bueno para las lunares, porque es una luna casi esférica (por lo que no tiene el problema de la forma irregular), por lo que si no tiene Mascons como la Luna, las órbitas podrían ser muy estables a su alrededor. Y a pesar de estar bloqueado por la marea con Saturno con un período de 4 días, no es probable que tenga efectos de marea significativos en una pequeña luna a menos que tenga un océano subterráneo.

¿Qué pasa con más cerca de la mano, qué pasa con Venus? Sería difícil detectar una pequeña luna con una luna en órbita alrededor de Venus desde la distancia de la Tierra.

Los asteroides con lunas son muy comunes. Entonces, ¿podría un asteroide ser capturado por un planeta?

Una sugerencia (mi propia idea), si tuviera dos lunas, ¿tal vez podría perder la luna más externa (una forma en que los planetas pueden capturar asteroides es si el asteroide pierde una de sus lunas) y retiene la más interna?

De todos modos, la captura de un asteroide de este tipo podría ser complicado. Pero si fuera posible, ¿podría Venus tener uno?

¿QUÉ PASA CON UNA LUNA DE LUNA ALREDEDOR DE VENUS?

¿Podría haber un pequeño asteroide con una luna en órbita alrededor de Venus, por ejemplo, sin descubrir? Parece un lugar obvio para mirar, de tamaño similar a la Tierra.

Si girara tan rápido como la Tierra, podría sostener fácilmente una luna tan grande como la nuestra. Pero tiene un período de rotación muy lento, solo una vez cada 243 días terrestres. Por lo tanto, no hay forma de que pueda tener una luna lo suficientemente lejos como para girar en espiral hacia afuera en lugar de hacia adentro. Los efectos de marea de Venus en cualquier luna siempre lo empujarán hacia adentro.

Incluso si fue golpeado por un gran cuerpo que creó una Luna como la nuestra en el sistema solar temprano, entonces, hace mucho tiempo, habría entrado en espiral y golpeado la superficie de Venus. Algunos científicos planetarios piensan que exactamente eso podría haber sucedido

Pero una luna más pequeña podría haber sobrevivido durante miles de millones de años, porque los efectos de las mareas conducen a tasas de descomposición de la órbita mucho más lentas para las lunas más pequeñas. Las investigaciones calcularon que Venus necesitaría tener una luna de menos de unos pocos kilómetros de diámetro para sobrevivir hasta hoy.

Hubo una búsqueda en 2009, que lo encuestó hasta 0,3 km y no encontró ninguna luna. Página en ciw.edu. En cualquier caso, una luna tan pequeña sería de baja masa (mucho más pequeña que 87 Sylvia y tendría una pequeña esfera Hill).

Entonces, la posibilidad de que tenga lunares parece muy baja.

Sin embargo, hay algunos otros lugares donde podemos buscar lunas, más lejos en el sistema solar.

IAPETUS – ¿PERDIÓ SU ANILLO O LUNA?

La luna de Saturno, Japeto, es mejor conocida por su hemisferio principal oscuro. Un lado es tan oscuro como el carbón (albedo 0.03 a 0.05), el otro lado es casi tan brillante como la nieve (albedo 0.5 a 0.6, la nieve tiene albedo 0.4 para derretir la nieve a 0.9 para nieve recién caída). Que pueden ser hidrocarburos que brotan de su interior, o podría ser material recolectado por la próxima luna de Saturno, Phoebe.

Pero tiene otra característica muy sorprendente, esta notable cresta ecuatorial

Una de las muchas sugerencias sobre cómo podría haberse formado es a través del colapso de un sistema de anillos. Que podría haberse originado como un subsatélite distante.

La idea es que una colisión con Japeto conduzca a la formación de un subsatélite (moonlet). Estiman que un gran satélite secundario podría ser estable entre 100,000 años y mil millones de años alrededor de Iapetus, dependiendo de si se formó cerca o lejos de él originalmente. Se descompondría después de que los dápetos de Iapetus que rotaban inicialmente rápidamente debido a las interacciones de marea con Saturno.

A medida que orbitaba más cerca de Iapetus, las fuerzas de marea lo desgarrarían para formar un anillo, y luego el impacto de las partículas del anillo formaría la cresta ecuatorial.

Vistas de cerca de la cresta ecuatorial de Japeto.

Paso elevado de su cresta

Esta es una de varias teorías sobre su origen.

Otras lunas de Saturno también podrían tener anillos o lunas, pero los límites de estabilidad orbital son mayores para Japeto. Además, Iapetus es uno de los pocos que puede tener un satélite en órbita fuera de su límite de Roche, lo que significa que originalmente podría tener un gran satélite intacto. Para los demás, cualquier satélite debería ser muy pequeño o ya estaría interrumpido como un sistema de anillo. Calisto, Titán y Oberón son otros con grandes regiones de estabilidad para satélites secundarios.

Figura 5 de su artículo. El área blanca con sombreado en la parte inferior muestra el límite de Roche de aproximadamente 2.5 veces el radio del satélite: cualquier gran satélite secundario (luna) dentro de este se vería interrumpido por la marea. Las líneas muestran los límites de estabilidad orbital. Japeto tiene los límites de estabilidad más grandes de todos los satélites.

El artista espacial Ron Miller ha hecho algunas impresiones de artistas finos de esta idea de los anillos de Japeto para su artículo io9 sobre el tema.

DECAYO DE LUNAS

Aunque el periódico los llama “sub satélites”, los llamaré lunares en su lugar, como en el resto de esta publicación.

Eventualmente, las lunares grandes se descompondrán a través de las interacciones de las mareas con las lunas, siempre que orbiten la luna a una velocidad mayor que su velocidad de giro. La mayoría de las lunas giran lentamente, y a menudo están bloqueadas por mareas con su planeta.

Esto sucede a través de las interacciones gravitacionales de las lunares con la protuberancia de las mareas que levanta en el cuerpo que orbita. Este bulto viaja alrededor de la luna a la misma velocidad que la luna, pero si la luna orbita más rápido de lo que gira el cuerpo, tirará hacia atrás y lo arrastrará a una órbita más baja y más rápida hasta que alcance el límite de Roche y eventualmente impacte .

Si la luna gira más lentamente de lo que gira el cuerpo, o si está retrógrada, entonces el bulto está por delante y la arrastra hacia órbitas más distantes, y finalmente escapa.

En ambos casos, la tasa de descomposición depende de la potencia 13/6 de su radio (suponiendo una densidad uniforme). Un moonlet mil veces más pequeño en radio, por ejemplo, puede durar 24 veces más.

La mayoría de las órbitas de la luna se pudrirían por los efectos de las mareas en dieciséis millones de años. Las dos excepciones son Iapetus y Oberon. Una luna de Oberón podría sobrevivir mil millones de años. Una luna de Japeto podría, en el mejor de los casos, durar más de la edad del sistema solar.

Esta es su figura 6. Los círculos cerrados son para órbitas retrógradas alrededor de las lunas, y los círculos abiertos para órbitas programadas. Las lunas son las mismas que para la figura 5. Iapetus es, con mucho, la más estable, la más externa de las lunas de Saturno en esta lista. Una gran luna de Oberón, la luna de Neptuno, también es mucho más estable que las otras, aunque no podría durar hasta el día de hoy.

Oberon es interesante por haber aparecido como la otra luna posible con una cresta ecuatorial. Fue observado por la Voyager 2, pero no pudimos ver su región ecuatorial. Entonces, también podría tener una cresta ecuatorial y no lo sabríamos.

Para más información sobre todo esto, vea también “La cresta ecuatorial sin igual de Iapetus” de Emily Lakdawalla.

Según sus cálculos, una gran luna de cualquiera de esos satélites tendría que haberse formado recientemente para estar presente en nuestro sistema solar.

Al igual que con la búsqueda de lunas de Venus, una luna muy pequeña, de solo unos pocos metros de diámetro, no se vería afectada por las mareas de la misma manera, por lo que podría sobrevivir más tiempo. Solo les interesaban las grandes lunas lo suficientemente grandes como para formar un sistema de anillos y una cresta ecuatorial cuando se descompone.

La velocidad de desintegración es lineal en la masa del satélite secundario, por lo que un satélite de la mitad de la masa tiene el doble de la velocidad de desintegración.

“ Ā es el semieje mayor normalizado al radio del primario (la versión subscriptada denota el valor inicial), k2 y Q son el número de Amor de segundo grado y el factor de calidad de disipación de mareas del cuerpo primario (por ejemplo, Iapetus), my M son las masas de los cuerpos secundario y primario, G es la constante gravitacional universal, R es el radio de la primaria y t es el tiempo. ”De este artículo: Retraso en la formación de la cresta ecuatorial en Iapetus desde un subsatélite creado en un impacto gigante

¿Podría Japeto tener una luna muy pequeña hasta el día de hoy? Sus cálculos muestran que incluso las lunares grandes podrían ser estables (pero sabemos que ya no tiene una luna grande). Entonces, una pequeña luna de decenas de metros de diámetro, por ejemplo, sería aún más estable.

Depende del poder 2/13 de la masa. La masa depende a su vez del cubo del radio asumiendo una densidad uniforme. Por lo tanto, la tasa de desintegración depende aproximadamente del cuadrado del radio, su potencia (13/6) para ser más precisos.

Eso es solo en la región del sistema solar que ya conocemos.

Puede haber objetos grandes en el cinturón de Kuiper y más allá. Varias de las lunas de Plutos parecen ser binarias de contacto. Ninguno tiene lunas. Pero muchos asteroides tienen lunares conocidos ahora.

Puede haber objetos aún por descubrir tan grandes como Marte, la Tierra, Neptuno, tal vez incluso tan grandes como Júpiter. Por lo tanto, no está fuera de toda posibilidad que algunos de ellos tengan lunas con lunares, incluso si Rhea no lo tiene y ninguna de nuestras otras lunas conocidas hasta ahora.

Vea la respuesta de mi Robert Walker a ¿Las lunas tienen lunas?

También mis misiones de redirección de mini lunas y asteroides en mi libro Case For Moon First, que está disponible para leer gratis en línea, en su totalidad, también en Kindle.

Esta es una copia ligeramente editada de mi ¿Las lunas tienen lunas? combinado con material de mi artículo de Science 2.0: ¿Pueden las lunas tener lunas? O anillos?

Pueden, y casi con seguridad lo hacen, sin embargo, las interrupciones del cuerpo de los padres significan que probablemente sean pequeñas y de corta duración (en términos astronómicos). Es probable que cualquier impacto, especialmente en las lunas sin aire, cree algunas sublunas, y al menos algunas de ellas probablemente se encuentren en órbitas que les permitan permanecer por algún tiempo.

Hay candidatos para varios de estos alrededor de nuestra propia luna, sin embargo, estos son tan pequeños que no se han detectado suficientes veces para determinar una órbita clara necesaria para confirmarlos como sub-lunas en lugar de pasar mini-asteroides.

Una de las lunas de Saturno, Rea, tiene su propio sistema de anillos, y un sistema de anillos está muy cerca de ser una luna. El asteroide 87 Sylvia (menos de 300 km en sí mismo) tiene dos lunas, y dos de las “lunas de pastores” que actúan para definir los anillos de Saturno vienen en pares con órbitas una alrededor de la otra.

Los satélites aparecen donde los buscamos, por lo que es más que probable que encontremos algunos alrededor de la Luna una vez que tengamos la habilidad de mirar lo suficientemente bien.