Por que certas luas têm seu período de rotação igual ao período orbital?

Nossa lua e a lua de Saturno, Titã, têm esse recurso. Por isso, apenas observamos um lado (hemispere) da nossa lua. Por que é isso? Qual é a Newton ou a astrofísica que explicariam isso? Parece que seria algum tipo de equilíbrio que chegará ao longo do tempo, mas eu não entendo.

A resposta para isso são certamente as forças das marés, mas isso não explica o mecanismo exato de como as forças das marés resultam em travamento das marés , ou seja, um corpo em órbita mostrando a mesma face do corpo central que orbita devido à taxa de rotação e revolução taxa sendo igual. Descreverei esse mecanismo usando o sistema Terra-Lua para que eu possa ser específico, mas ele se aplica igualmente a qualquer sistema.

Para começar, as forças de maré são o resultado de forças gravitacionais diferenciais na massa distribuída de um corpo. A Lua não é uma massa pontual, possui um tamanho estendido. A força da gravidade na Lua na Terra depende da distância (assim como a força da gravidade para qualquer coisa). O que isso significa é que, no lado da Lua voltado para a Terra, a força da gravidade é mais forte e, à medida que você progride através da Lua para o lado oposto à Terra, a força da gravidade fica mais fraca. Isso significa que o lado da Lua voltado para a Terra é puxado mais forte e mais perto da Terra, enquanto o lado oposto à Terra, embora ainda sendo puxado em direção à Terra, não é puxado tão fortemente ou tão perto. Por fim, isso resulta na deformação da Luade modo que se torne ligeiramente oblato e esticado na direção da Terra. Essa flexão da superfície é conhecida como marés.

Agora, vamos supor que a Lua não esteja atualmente travada por maré com a Terra e, de fato, gira um pouco mais rápido do que orbita. A Terra está causando marés na Lua e a Lua está girando em seu eixo. As marés, causadas pelas forças da maré, querem permanecer alinhadas com a linha Terra-Lua, pois é nessa direção que as forças da maré são aplicadas. No entanto, é preciso tempo e muita energia para deformar a Lua. Depois que a Lua for deformada, ela girará e tentará puxar essa deformidade da maré, movendo efetivamente o volume da maré à frente da linha Terra-Lua. A Terra ainda está aplicando a força da maré ao longo da linha Terra-Lua para tentar puxar a protuberância da maré de volta. Essa força constante tentando puxar a protuberância da maré para trás (ou adiante, se a Lua estiver girando muito devagar) permite que uma transferência de momento desacelere a Lua (ou, novamente, acelere-a se estiver muito lenta). O ponto principal aqui é que o travamento das marés é um estado de equilíbrio, porque se a Lua estiver girando muito devagar ou muito rápido, a Terra tentando puxar o volume da maré para a linha Terra-Lua mudará a taxa de rotação da Lua até que ela se torne maré trancado. Uma vez fechado, o volume da maré estará sempre ao longo da linha Terra-Lua e essa força desaparecerá. a Terra tentando puxar a protuberância da maré para a linha Terra-Lua mudará a taxa de rotação da Lua até que ela fique travada por maré. Uma vez fechado, o volume da maré estará sempre ao longo da linha Terra-Lua e essa força desaparecerá. a Terra tentando puxar a protuberância da maré para a linha Terra-Lua mudará a taxa de rotação da Lua até que ela fique travada por maré. Uma vez fechado, o volume da maré estará sempre ao longo da linha Terra-Lua e essa força desaparecerá.

Isso cobre cerca de metade da resposta. Ao tentar bloquear a maré entre a Lua e a Terra, você deve considerar dois períodos de tempo. O primeiro, discutido no parágrafo anterior, é o tempo de rotação da Lua em torno de seu eixo. O outro é o tempo de revolução da Lua ao redor da Terra. Ambos devem corresponder. O parágrafo anterior descreveu como o tempo de rotação da Lua em torno de seu eixo poderia ser afetado, mas também há um meio de afetar o tempo de revolução da Lua em torno da Terra. Felizmente, isso ocorre por um mecanismo quase idêntico ao descrito acima. Com efeito, a Lua também causa protuberâncias de maré na Terra e, como a Terra está girando, essas protuberâncias não estarão diretamente alinhadas com a linha Terra-Lua. Essa maré desalinhada na Terra age para transferir energia para a velocidade orbital da Lua, fazendo com que acelere ou diminua. Aliás, através da conservação do momento angular, isso necessariamente faz com que a Lua se afaste de nós a uma taxa pequena, mas persistente.

Em suma, as forças da maré causam o bloqueio da maré, mas isso ocorre por meio de forças complexas e lentas durante um longo período de tempo, afetando a velocidade orbital da Lua e a taxa de rotação até encontrar um equilíbrio. Esse equilíbrio é o bloqueio das marés.

A resposta simples é: forças de maré, que são um efeito secundário da gravidade. Da mesma forma que a Lua causa marés baixa e alta dos oceanos aqui na Terra, a Terra também tem um efeito semelhante na Lua.

A força é da mesma origem, porém muito mais forte devido à massa da Terra. Essas forças de maré causam um torque na rotação da Lua e é por isso que apenas mostra a mesma face para a Terra.

Curiosamente, Plutão e sua única lua, Caronte, mostram apenas uma face durante sua órbita devido à força da maré. Além disso, as forças das marés também estão diminuindo a rotação da Terra.