Como as luas são capturadas?

Um objeto do tamanho da lua está se soltando no Sistema Solar, talvez após uma colisão planetária. Ao se aproximar de um planeta, presumivelmente está seguindo um caminho aproximadamente hiperbólico. Se continuar, ainda está na mesma hipérbole, em uma curva que reflete sua abordagem (presumivelmente). Como o planeta pode capturá-lo, seja qual for a velocidade do corpo? Por que ele não colide ou continua no passado?

Como um planeta pode capturar uma lua?

Existem 178 luas no Sistema Solar, de acordo com a Ficha Planetária da NASA , então parece ser um evento comum. As seções a seguir mostram que a captura da lua é realmente improvável, mas quando um planeta tem uma ou mais luas, a captura fica mais fácil.

Condições iniciais

A partir das condições iniciais, o planeta está em órbita sobre o sol, e um asteróide está em uma órbita diferente sobre o sol.

Para que a captura se torne possível, o asteróide e o planeta devem se aproximar. Quando o asteróide entra na esfera de influência do planeta, a gravidade do planeta é o principal fator na determinação do caminho do asteróide.

Possíveis resultados

Em relação ao planeta, o asteróide seguirá uma trajetória hiperbólica e, portanto, possui energia cinética suficiente para evitar a captura. Uma grande variedade de resultados pode ocorrer, mas os que levam à captura são aqueles em que o asteróide de alguma forma perde energia cinética suficiente para que sua velocidade caia abaixo da velocidade de escape do planeta, mantendo energia suficiente para atingir uma órbita fechada (elíptica). Os principais (não os únicos) resultados possíveis são:

• a órbita do asteróide é perturbada, em maior ou menor grau, e continua saindo da esfera de influência do planeta.

• a órbita do asteróide é perturbada e o asteróide afeta a superfície do planeta. Isso normalmente seria o fim do processo, mas as teorias atuais sobre como a Terra capturou a Lua são que um corpo chamado Thea impactou a Terra , e a Lua se formou a partir de alguns dos detritos de colisão.

• a órbita do asteróide é perturbada, e o caminho do asteróide cruza a atmosfera do planeta, perdendo energia cinética como calor na atmosfera (semelhante ao aerobraking ).

• a órbita do asteróide se aproxima de uma lua existente do planeta e é acelerada (no sentido de que a desaceleração é apenas uma aceleração com o sinal oposto) pela lua existente, usada pela sonda MESSENGER para diminuir sua velocidade antes de orbitar Mercúrio.

Os dois últimos casos admitem a possibilidade de captura.

Possível captura

Depois de perder energia na atmosfera planetária, se o asteróide perdeu energia suficiente, pode entrar em uma órbita fechada ao redor do planeta. O problema é que a órbita cruzará a atmosfera novamente, perdendo energia cada vez que o fizer, até atingir a superfície planetária. A captura pode ocorrer quando uma lua existente está presente e está no lugar certo para a sua gravidade reduzir a excentricidade da órbita do asteróide.

Portanto, o caso mais provável em que um planeta pode capturar um asteróide livre é quando já há uma ou mais luas presentes. O asteróide de entrada deve evitar entrar na esfera Hill da lua existente - a região onde a lua dominaria o caminho do asteróide.

A assistência por gravidade pode acelerar um asteróide quando o asteróide passa fora da órbita da lua, mas pode desacelerar o asteróide passando dentro da órbita da lua. Nesse caso, parte da energia cinética do asteróide é transferida para a lua. Como é o caso da captura de aerobraking, a captura assistida por gravidade exige que a lua existente esteja no lugar certo.

Outro mecanismo

Um artigo bastante elegante publicado na Nature (mencionado abaixo) mostra como dois corpos orbitando um ao outro ao se aproximarem do planeta poderiam ter levado um a ser capturado por Netuno. Esse mecanismo também pode se aplicar em outros casos. Esta dissertação (pdf) discute um processo semelhante para Júpiter.

Corpos irregulares

Acontece que corpos de formas irregulares podem ser capturados mais facilmente do que corpos esféricos. Orbitar dentro da esfera Hill do planeta não é suficiente para que a captura seja permanente. Apenas órbitas na metade inferior da esfera Hill são estáveis. Corpos em órbitas mais altas podem ser perturbados por planetas próximos, e o corpo pode eventualmente ser ejetado. Mas corpos de formas irregulares exercem flutuações mínimas na atração gravitacional do planeta e orbitam de fato em uma mansão caótica. Quando outras luas ou anéis estão presentes, essas órbitas caóticas transferem gradualmente energia para os corpos nas órbitas inferiores, fazendo com que o novo corpo orbite mais baixo e, portanto, torna-se imune à perturbação externa. [citação necessária]

Órbitas prograde vs retrógradas

A mesma análise de órbitas caóticas e trabalhos anteriores também concluíram que as órbitas retrógradas são mais estáveis ​​que as órbitas progrades . Enquanto as órbitas de prograde são estáveis ​​apenas na metade interna da esfera de Hill, as órbitas retrógradas podem ser estáveis ​​em até 100% do raio de Hill . Portanto, a captura retrógrada é mais comumente observada (essa não é a história toda, ainda é uma questão de pesquisa).

Diversas luas, anéis e o sistema solar inicial

Embora a probabilidade de uma única lua estar no lugar certo no momento certo seja baixa, quando há várias luas, a probabilidade de uma interação útil inicial aumenta linearmente. Mas a probabilidade de interações adicionais aumenta geometricamente, portanto, quanto mais luas um planeta tiver, maior a probabilidade de capturar mais. A existência de anéis também ajuda na captura, exercendo um atrito na lua nova, absorvendo sua energia e diminuindo sua órbita, da mesma maneira que o gás não capturado faria no início do Sistema Solar.

Os maiores planetas têm mais luas

Pode ser óbvio, mas os maiores planetas têm mais luas. Isso ocorre porque eles têm poços de gravidade mais profundos e varrem mais objetos. Embora a probabilidade de captura seja baixa (a maioria dos objetos é puxada para dentro do planeta), um fluxo constante capturou milhões de órbitas.

Conclusão

Cada mecanismo de captura requer um conjunto fortuito de condições e, portanto, é realmente um evento bastante raro. Um mecanismo é o de que um par de asteróides que co-orbitam se separem quando alguém entra na esfera planetária de Hill. As chances de um asteróide individual são aumentadas quando o asteróide chega com baixa energia cinética que deve ser entregue a outros corpos que orbitam o planeta e quando já existem muitas luas ou um sistema de anéis.

Veja também

• A gravidade da Terra poderia capturar um asteróide? - earthsky.org

• Dinâmica de Luas Distantes de Asteróides - Ícaro (pdf)

• Hipótese: Novas evidências sobre a origem da Lua apóiam a teoria da colisão cataclísmica

• Netuno captura sua lua, Tritão, em um encontro gravitacional do planeta binário - Nature

• Folha de fatos planetários - NASA

• O uso da energia de dois corpos para estudar problemas de escape / captura (pdf)

• Wikipedia
  Aerobraking Órbita
  elíptica
  Velocidade de escape
  Esfera de colina
  Trajetória hiperbólica
  Assistência à gravidade
  Movimento retrógrado e progressivo
  Esfera de influência
  Thea

Existem dois efeitos que alteram a órbita relativa hiperbólica (ou elíptica) simples de qualquer corpo menor ("lua") e um planeta.

Primeiro, a gravidade do Sol (e em um grau muito menor de Júpiter). Para uma boa aproximação, o sistema planeta-Sol é um binário circular e a lua uma partícula de teste (sua massa é desprezível). As órbitas das partículas de teste em um sistema desse tipo (conhecido como problema restrito de três corpos) são complicadas, mas a energia de Jacobi , impedindo a captura (semelhante à conservação do momento angular para a órbita hiperbólica). Portanto, a captura requer desvio dessa aproximação, em particular a massa da lua não deve ser muito pequena e / ou outro corpo em interação participa (a página da Wikipedia sobre captura de asteróides é bastante decepcionante).

Segundo, as forças das marés podem transferir energia orbital em energia interna (do planeta e / ou lua), que é então dissipada (convertida em calor). Em circunstâncias de sorte, esse processo pode ser suficiente para converter uma órbita não acoplada em uma órbita vinculada. Uma vez ligadas, as marés continuarão a prender a lua cada vez mais.