“Что было разбросано, то соберется.
Что собрали, то сдувает. - Гераклит
Когда вы думаете о нашей Солнечной системе, вы думаете о планетах (и других объектах), вращающихся вокруг нашей центральной звезды, с лунами (или другими спутниками), вращающимися вокруг этих гигантских, каменистых или ледяных миров. Но может ли быть больше уровней, чем этот? Могут ли у нас быть спутники, стабильно вращающиеся вокруг лун, и если да, то где они? В то время как многие из вас присылали свои вопросы и предложения на этой неделе, честь достается нашему стороннику Patreon kilobug, который спрашивает:
[В] Солнечной системе, насколько мне известно, нет ни одной «луны луны», что-то вроде астероида, вращающегося вокруг луны планеты. Есть ли причина для этого (например, такая нестабильность орбиты)? Или это просто маловероятно?
Подумайте о том, что произойдет, если у вас есть только одна масса, вращающаяся в пространстве.
www.youtube.com/watch?v=3edxPx8UZhE
Здесь все просто. У вас есть гравитационное поле этого объекта, вызванное, прежде всего, его массой. Он искривляет пространство вокруг себя, заставляя все вокруг притягиваться к нему. Если бы здесь работала только гравитация, вы могли бы вывести любой объект на стабильную эллиптическую или круговую орбиту вокруг него, и он продолжал бы двигаться по этому пути вечно.
Но есть и другие факторы, включая тот факт, что:
- этот объект может иметь какую-то атмосферу или рассеянный «ореол» частиц вокруг него,
- этот объект не обязательно неподвижен, но может вращаться - возможно быстро - вокруг оси,
- и что этот объект не обязательно настолько изолирован, как вы первоначально себе представляли.
Первый фактор, атмосфера, имеет значение только в самых крайних случаях. Обычно объекту, вращающемуся вокруг массивного твердого мира без атмосферы, просто нужно избегать поверхности объекта, и он может вечно вращаться вокруг нее.
Но если вы добавите наличие атмосферы, пусть даже невероятно рассеянной, любым вращающимся телам придется бороться с теми атомами и частицами, которые окружают центральную массу. Хотя обычно мы думаем, что наша атмосфера имеет «конец», а пространство начинается за определенной высотой, реальность такова, что атмосфера просто истончается по мере того, как вы поднимаетесь все выше и выше. Земная атмосфера простирается на многие сотни километров; даже международная космическая станция когда-нибудь придет в упадок и встретит огненную гибель, если мы не будем постоянно поддерживать ее.
В масштабах Солнечной системы, исчисляемых миллиардами лет, суть в том, что вращающиеся тела должны находиться на определенном расстоянии от любой массы, вокруг которой они вращаются, чтобы быть «безопасными».
Объект может вращаться. Это относится как к большой массе, так и к меньшей, вращающейся вокруг нее. Существует «стабильная» точка, в которой обе массы приливно привязаны друг к другу (где обе они всегда имеют одну и ту же сторону, указывающую друг на друга), но если у вас есть любая другая конфигурация, произойдет некоторое «закручивание». Этот крутящий момент может работать либо по спирали двух масс внутрь (если вращение слишком медленное), либо наружу (если вращение слишком быстрое) для блокировки. Другими словами, большинство спутников запускаются не в идеальной конфигурации!
Но есть еще один фактор, который нам нужно добавить, чтобы добраться до вопроса о «лунах лун» и действительно увидеть, в чем заключается трудность.
Тот факт, что объект не изолирован, имеет большое значение. Гораздо проще удерживать объект на орбите вокруг одной массы, например, луну вокруг планеты, маленький астероид вокруг большого или Харона вокруг Плутона, чем удерживать объект на орбите вокруг массы, которая сама вращается вокруг своей оси. другая масса. Это огромный фактор, который мы обычно не учитываем. Но подумайте об этом на мгновение с точки зрения нашей самой внутренней безлунной планеты Меркурий.
Меркурий относительно быстро вращается вокруг нашего Солнца, поэтому и гравитационные, и приливные силы на нем очень велики. Если бы на орбите Меркурия вращалось что-то еще, сейчас в игру влияло бы большое количество дополнительных факторов:
- «Ветер» от Солнца (поток внешних частиц) врезался бы как в Меркурий, так и в объект, вращающийся вокруг него, нарушая орбиты.
- Тепло, которое Солнце излучает на поверхность Меркурия, может привести к расширению атмосферы Меркурия. Несмотря на то, что Меркурий безвоздушный, частицы на поверхности нагреваются и выбрасываются в космос, создавая разреженную, но не пренебрежимо малую атмосферу.
- И, наконец, там есть третья масса, которая хочет вызвать окончательный приливный замок: чтобы не только эта маленькая масса и Меркурий были привязаны друг к другу, но чтобы Меркурий был привязан к Солнцу.
Это означает, что для любого спутника Меркурия есть два предельных положения.
Если спутник находится слишком близко к Меркурию по каким-либо причинам:
- спутник вращается недостаточно быстро для своего расстояния,
- Меркурий вращается недостаточно быстро, чтобы достичь приливной блокировки с Солнцем,
- подвержен замедлению от солнечного ветра,
- или при достаточном трении с атмосферой Меркурия,
в конце концов он врежется в поверхность Меркурия.
И, с другой стороны, он рискует быть выброшенным с орбиты Меркурия из-за того, что его оттолкнут, если спутник находится слишком далеко, и применимы другие соображения:
- спутник вращается слишком быстро для своего расстояния,
- Меркурий вращается слишком быстро, чтобы совпасть с Солнцем,
- солнечный ветер придает дополнительную скорость спутнику,
- возмущающие эффекты других планет выбрасывают слабо удерживаемую луну или спутник,
- или нагрев от Солнца сообщает дополнительную кинетическую энергию достаточно маленькому спутнику.
Теперь, несмотря на все вышесказанное, существуют планеты со спутниками! Хотя система из трех тел никогда не будет по-настоящему стабильной, если вы не находитесь в той идеальной конфигурации, о которой упоминалось ранее, мы можем достичь стабильности на временных шкалах в миллиарды лет при правильных обстоятельствах, и это все, что нас волнует в вопросе килобага. Есть несколько условий, облегчающих задачу:
- Пусть планета/астероид, являющийся основной массой системы, находится достаточно далеко от Солнца, чтобы солнечный ветер, поток солнечного света и приливные силы Солнца были малы.
- Спутник этой планеты/астероида должен быть достаточно близко к основному телу, чтобы он не был слишком слабо связан гравитационно, чтобы маловероятно, что его вытолкнут из других гравитационных или механических взаимодействий.
- Спутник этой планеты/астероида должен находиться достаточно далеко от основного тела, чтобы приливные, трение или другие эффекты не вызывали его закручивания и слияния с родительским телом.
Как вы уже догадались, у Луны есть «золотое пятно» для существования вокруг планет: в несколько раз дальше, чем радиус планеты, но достаточно близко, поскольку период обращения не слишком велик.: все еще значительно короче, чем период обращения планеты вокруг своей звезды.
Итак, учитывая все это, где в нашей Солнечной системе находятся спутники лун?
Самое близкое, что у нас есть, это то, что у нас есть троянские астероиды с собственными спутниками, но поскольку ни один из них не является «спутником» Юпитера, это не совсем соответствует всем требованиям. Что тогда?
Короткий ответ: вряд ли мы его вообще увидим, но надежда есть. Миры газовых гигантов довольно стабильны и довольно далеко от Солнца. У них много лун, многие из которых уже связаны приливами с их родительским миром. Самые большие луны - лучшие кандидаты для размещения спутников. Лучшими кандидатами будут:
- как можно больше,
- относительно далеко от родительского тела, чтобы свести к минимуму инспиральный риск,
- не так далеко, чтобы можно было легко катапультироваться,
- и - это новый - хорошо отделенныйот любых других лун, колец или спутников, которые могут нарушить работу вашей системы.
С учетом всего сказанного, какие из лучших кандидатов на спутники в нашей Солнечной системе могут иметь собственные стабильные спутники?
- Спутник Юпитера Каллисто: самый удаленный из всех основных спутников Юпитера на расстоянии 1 883 000 км, Каллисто также большой с радиусом 2 410 км. Облет вокруг Юпитера занимает относительно много времени - 16,7 дня, а скорость убегания - 2,44 км/с.
- Спутник Юпитера Ганимед: самый большой спутник Солнечной системы (2 634 км в радиусе), Ганимед находится далеко от Юпитера (1 070 000 км), но, возможно, недостаточно далеко. (Это всего лишь еще 50% расстояния от орбиты Европы.) У него самая высокая скорость убегания среди всех спутников Солнечной системы (2,74 км/с), но из-за густонаселенной юпитерианской системы маловероятно, что какой-либо из спутников У спутников Юпитера есть спутники.
- Спутник Сатурна Япет: он не такой большой (734 км в радиусе), но Япет находится далеко от Сатурна на среднем орбитальном расстоянии 3 561 000 км от нашей окруженной кольцами планеты. Он находится далеко за пределами колец Сатурна и хорошо отделен от всех других крупных спутников. Недостатком является его малая масса и размер: вам нужно двигаться со скоростью всего 573 метра в секунду, чтобы покинуть поверхность Япета.
- Спутник Урана Титания: с радиусом 788 км это самый большой спутник Урана, расположенный примерно в 436 000 км от Урана и совершающий оборот по орбите за 8,7 дня.
- Спутник Урана Оберон: второй по величине (761 км), но самый удаленный (584 000 км) большой спутник Урана. Чтобы совершить оборот вокруг Урана, требуется 13,5 дня. Однако Оберон и Титания находятся в опасной (и, возможно, чрезмерной) близости друг к другу, чтобы вокруг Урана могла произойти «луна луны».
- Спутник Нептуна Тритон: этот захваченный объект пояса Койпера огромен (1 355 км в радиусе), далек от Нептуна (355 000 км) и массивен; объект должен двигаться со скоростью более 1,4 км/с, чтобы избежать гравитации Тритона. Возможно, это была бы моя лучшая «ставка» на луну планеты, у которой есть собственный естественный спутник.
Но, учитывая все вышесказанное, я бы ничего не ожидал. Условия для получения и сохранения луны луны представляют собой чрезвычайные трудности, если учесть, сколько гравитационно-пертурбативных объектов находится в этих системах газовых гигантов. Если бы мне пришлось делать ставки, я бы сказал, что Япет и Тритон были наиболее вероятными кандидатами на наличие «луны луны», поскольку они являются самыми дальними основными спутниками своего мира, они несколько изолированы от другие большие массы, и скорость убегания с поверхности каждого из этих миров все еще довольно значительна.
Но, несмотря на все сказанное, насколько нам известно, мы до сих пор ничего не знаем. Возможно, все эти рассуждения также неверны, и нам лучше всего сделать ставку на дальние пределы пояса Койпера или даже на Облако Оорта, где у нас просто намного больше шансов, чем когда-либо в нашей Солнечной системе.
Насколько нам известно, эти объекты могут существовать: это возможно, но требует очень специфических условий, которые потребуют некоторой интуиции. Судя по нашим наблюдениям, в нашей Солнечной системе такого совпадения не произошло. Но как знать: Вселенная полна сюрпризов. И чем лучше становятся наши способности искать, тем больше мы склонны находить. Я не слишком удивлюсь, если следующая большая миссия к Юпитеру (или другим газовым гигантам) обнаружит именно это явление!
Возможно, луны лун реальны, и для их обнаружения достаточно поискать в нужном месте?
Есть вопрос или предложение для Ask Ethan? Отправьте его сюда на рассмотрение.
Оставляйте свои комментарии на нашем форуме и поддержите Starts With A Bang на Patreon!