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Pergunte ao Ethan #97: As luas podem ter luas?

Crédito da imagem: NASA/JPL, via http://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA03550.

O que estava espalhado, se acumula.
O que foi coletado, sopra para longe. – Heráclito

Quando você pensa em nosso Sistema Solar, você pensa em planetas (e outros objetos) orbitando nossa estrela central, com luas (ou outros satélites) orbitando esses mundos gigantes, rochosos ou gelados. Mas poderia haver mais níveis do que isso? Poderíamos ter satélites orbitando de forma estável as luas e, em caso afirmativo, onde eles estão? Enquanto muitos de vocês envie suas dúvidas e sugestões esta semana, a honra vai para o nosso Apoiador do Patreon kilobug, que pergunta:

[No] sistema solar, AFAIK, não existe uma única lua de uma lua, algo como um asteroide orbitando a lua de um planeta. Existe uma razão para isso (como tal órbita ser instável)? Ou é pouco provável que ocorra?

Pense no que acontece se você tiver apenas uma única massa girando no espaço.

https://www.youtube.com/watch?v=3edxPx8UZhE

Tudo é simples, aqui. Você tem o campo gravitacional deste objeto, causado principalmente por sua massa. Ele curva o espaço ao seu redor, fazendo com que tudo ao seu redor seja atraído por ele. Se a gravitação fosse a única coisa em ação, aqui, você seria capaz de colocar qualquer objeto em uma órbita estável, elíptica ou circular em torno dele, e continuaria assim para sempre.

Mas há outros fatores em jogo, incluindo o fato de que:

• este objeto pode ter algum tipo de atmosfera, ou um halo difuso de partículas ao seu redor,
• este objeto não é necessariamente estacionário, mas pode girar - talvez rapidamente - em torno de um eixo,
• e que esse objeto não é necessariamente tão isolado quanto você imaginou inicialmente.

Crédito da imagem: NASA / JPL-Caltech / Cassini.

O primeiro fator, uma atmosfera, só importa nos casos mais extremos. Normalmente, um objeto orbitando um mundo maciço e sólido com não a atmosfera simplesmente precisaria evitar a superfície do objeto e poderia permanecer girando em torno dele para sempre.

Mas se você jogar na presença de uma atmosfera, mesmo uma incrivelmente difusa, quaisquer corpos em órbita terão que lidar com os átomos e partículas que cercam a massa central. Mesmo que normalmente pensemos em nossa atmosfera como tendo um fim e o espaço começando além de uma certa altitude, a realidade é que as atmosferas simplesmente diminuem à medida que você vai para altitudes cada vez mais altas. A atmosfera da Terra continua por muitas centenas de quilômetros; até mesmo a estação espacial internacional um dia decairá e enfrentará uma destruição ardente, a menos que a impulsionemos continuamente.

Crédito da imagem: Astrium, via http://www.research-in-germany.org/en/research-areas-a-z/space-technology/Research-Projects/DEOS.html .

Ao longo das escalas de tempo do Sistema Solar de bilhões de anos, o ponto é que os corpos em órbita precisam estar a uma certa distância de qualquer massa em que orbitam para serem seguros.

Um objeto pode girar. Isso se aplica tanto à grande massa quanto à menor que a orbita. Há um ponto estável, onde ambas as massas estão travadas uma na outra (onde ambas sempre têm o mesmo lado apontando uma para a outra), mas se você tiver qualquer outra configuração, haverá algum torque acontecendo. Este torque pode funcionar para espiralar as duas massas para dentro (se a rotação for muito lenta) ou para fora (se a rotação for muito rápida) para que o travamento ocorra. Em outras palavras, a maioria dos satélites não comece na configuração ideal!

Mas há mais um fator que precisamos incluir para chegar à questão das luas das luas e realmente ver onde está a dificuldade.

Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Stephanie Hoover .

O fato de um objeto não estar isolado é um grande problema. É muito mais fácil manter um objeto em órbita ao redor de uma única massa – como uma lua ao redor de um planeta, um pequeno asteroide ao redor de um grande, ou Caronte ao redor de Plutão – do que manter um objeto em órbita ao redor de uma massa. que ele mesmo orbita outra massa . Este é um fator enorme, e não é um que normalmente consideramos. Mas pense nisso por um momento da perspectiva do nosso planeta mais interno e sem lua, Mercúrio.

Crédito da imagem: Chris Go, via http://spaceweather.com/mercury/ .

Mercúrio orbita nosso Sol de forma relativamente rápida e, portanto, as forças gravitacionais e de maré sobre ele são muito grandes. Se houvesse algo mais orbitando Mercúrio, haveria agora um grande número de fatores adicionais em jogo:

1. O vento do Sol (o fluxo de partículas externas) colidiria tanto com Mercúrio quanto com o objeto que o orbita, perturbando as órbitas.
2. O calor que o Sol aplica à superfície de Mercúrio pode resultar em uma extensão da atmosfera de Mercúrio. Mesmo que Mercúrio não tenha ar, as partículas na superfície são aquecidas e lançadas no espaço, criando uma atmosfera tênue, mas não desprezível.
3. E, finalmente, há um terceiro massa lá dentro que quer causar o bloqueio de maré final: ter não apenas essa pequena massa e Mercúrio presos um ao outro, mas ter Mercúrio preso ao Sol.

Isso significa que, para qualquer satélite de Mercúrio, existem dois locais limitantes.

Crédito da imagem: NASA, via http://map.gsfc.nasa.gov/mission/observatory_l2.html .

Se o satélite estiver muito próximo de Mercúrio de várias maneiras:

• o satélite não está girando rápido o suficiente para sua distância,
• Mercúrio não está girando rápido o suficiente para atingir o bloqueio de maré com o Sol,
• suscetível à desaceleração do vento solar,
• ou sujeito a atrito suficiente da atmosfera mercuriana,

ele acabará colidindo com a superfície de Mercúrio.

Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech.

E por outro lado, corre o risco de ser ejetado da órbita de Mercúrio ao ser empurrado se o satélite estiver muito distante e outras considerações se aplicarem:

• o satélite gira muito rápido para sua distância,
• Mercúrio gira rápido demais para ficar travado com o Sol,
• o vento solar confere velocidade adicional ao satélite,
• os efeitos perturbativos de outros planetas trabalham para ejetar uma lua ou satélite tênue,
• ou o aquecimento do Sol confere energia cinética adicional a um satélite suficientemente pequeno.

Crédito da imagem: Shantanu Basu , Eduardo I. Vorobyov , Alexandre L. De Souza , de uma simulação de http://arxiv.org/abs/1208.3713 .

Agora, com tudo o que foi dito, há está planetas lá fora com luas! Embora um sistema de três corpos nunca seja verdadeiramente estável, a menos que você esteja nessa configuração perfeita mencionada anteriormente, podemos alcançar estabilidade em escalas de tempo de bilhões de anos sob as circunstâncias certas, que é tudo o que nos importa para a pergunta do kilobug. Existem algumas condições que facilitam:

1. Faça com que o planeta/asteroide que é a massa principal do sistema esteja suficientemente longe do Sol para que o vento solar, o fluxo de luz solar e as forças de maré do Sol sejam todos pequenos.
2. Faça com que o satélite desse planeta/asteroide esteja perto o suficiente do corpo principal para que não seja muito vagamente ligado, gravitacionalmente, de modo que é improvável que seja expulso de outras interações gravitacionais ou mecânicas.
3. Faça com que o satélite desse planeta/asteroide seja longe o suficiente do corpo principal para que os efeitos de maré, fricção ou outros não causem a inspiração e a fusão com o corpo pai.

Crédito de imagem: Frank Hettick / Fine Art America, via http://fineartamerica.com/featured/jupiter-and-its-moon-lo-as-seen-frank-hettick.html .

Como você deve ter adivinhado, há um ponto ideal para a lua existir em torno dos planetas: algumas vezes mais distante do que o raio do planeta, mas perto o suficiente para que o período orbital não seja muito longo: ainda significativamente menor do que o período orbital do planeta ao redor sua estrela.

Então, com tudo isso em mente, onde estão os satélites das luas em nosso sistema solar?

Crédito da imagem: Mdf no Wikipédia em inglês .

O mais próximo que temos é que temos asteroides troianos com satélites próprios, mas como nenhum deles são luas de Júpiter, isso não se encaixa perfeitamente. O que então?

A resposta curta é que é improvável que vejamos um, mas há esperança. Os mundos gigantes gasosos são bastante estáveis ​​e muito distantes do Sol. Eles têm muitas luas, muitas das quais já estão presas ao seu mundo pai. As maiores luas são as melhores candidatas que temos para abrigar satélites. O melhor candidatos seriam:

• o mais maciço possível,
• relativamente longe do corpo de origem para minimizar o risco de inspiração,
• não assim longe que há uma chance de uma ejeção fácil,
• e — este é novo — bem separado de quaisquer outras luas, anéis ou satélites que possam perturbar seu sistema.

Crédito de montagem: Emily Lakdawalla, via http://www.planetary.org/multimedia/space-images/charts/the-not-planets.html . A Lua: Gari Arrillaga. Outros dados: NASA/JPL/JHUAPL/SwRI/UCLA/MPS/IDA. Processamento de Ted Stryk, Gordan Ugarkovic, Emily Lakdawalla e Jason Perry.

Com tudo isso dito, quais são os melhores candidatos para luas em nosso Sistema Solar que podem ter suas próprias luas estáveis?

• lua de Júpiter Calisto : o mais externo de todos os principais satélites de Júpiter com 1.883.000 km, Calisto também é grande com um raio de 2.410 km. Demora relativamente tempo para orbitar Júpiter em 16,7 dias e tem uma velocidade de escape considerável de 2,44 km/s.
• lua de Júpiter Ganimedes : a maior lua do sistema solar (2.634 km de raio), Ganimedes está longe de Júpiter (1.070.000 km), mas possivelmente não suficientemente longe. (É apenas mais 50% da distância externa à órbita de Europa.) Tem a maior velocidade de escape de qualquer uma das luas do Sistema Solar (a 2,74 km/s), mas o sistema joviano altamente populoso torna menos provável que qualquer uma das luas do Sistema Solar Os satélites de Júpiter têm luas.
• lua de Saturno Jápeto : não é tão grande (734 km de raio), mas Iapetus é distante de Saturno a uma distância orbital média de 3.561.000 km do nosso planeta anelado. Está bem fora dos anéis de Saturno e bem separado de todas as outras luas principais. A desvantagem é sua baixa massa e tamanho: você só precisa viajar a 573 metros -por segundo para escapar da superfície de Jápeto.
• lua de Urano Titânia : com 788 km de raio, é a maior lua de Urano, localizada a cerca de 436.000 km de Urano e levando 8,7 dias para orbitar.
• lua de Urano Oberon : A segunda maior lua de Urano (761 km), mas a mais distante (584.000 km), leva 13,5 dias para orbitar Urano. Oberon e Titania, no entanto, estão perigosamente (e possivelmente proibitivamente) próximos um do outro para permitir que uma lua-de-uma-lua aconteça ao redor de Urano.
• lua de Netuno Tritão : este Objeto do Cinturão de Kuiper capturado é enorme (1.355 km de raio), distante de Netuno (355.000 km) e maciço ; um objeto precisa viajar a mais de 1,4 km/s para escapar da gravidade de Tritão. Esta seria, talvez, minha melhor aposta para uma lua de um planeta que tivesse seu próprio satélite natural.

Crédito da imagem: Voyager 2, NASA, JPL .

Mas com tudo isso dito, eu não esperaria nenhum. As condições para adquirir e reter uma lua-de-uma-lua apresentam dificuldades extremas quando você considera quantos objetos gravitacionalmente perturbadores existem nesses sistemas gigantes gasosos. Se eu tivesse que fazer apostas, diria que Jápeto e Tritão eram os candidatos mais prováveis ​​para ter uma lua-de-uma-lua, já que são os satélites principais mais distantes de seu mundo, eles estão um pouco isolados de outros grandes massas, e a velocidade de escape da superfície de cada um desses mundos ainda é bastante substancial.

Mas com tudo isso dito, até onde sabemos, ainda não sabemos de nenhum. Talvez esse raciocínio esteja errado também, e nossa melhor aposta será realmente nos confins do Cinturão de Kuiper ou mesmo na Nuvem de Oort, onde simplesmente temos muito mais chances do que jamais teríamos em nosso Sistema Solar.

Crédito da imagem: Robert Hurt (IPAC), via http://solarsystem.nasa.gov/planets/profile.cfm?Object=KBOs .

Até onde sabemos, esses objetos poderia existe: é possível, mas requer condições muito específicas que exigiriam um pouco de serendipidade. No que diz respeito às nossas observações, essa serendipidade não ocorreu em nosso Sistema Solar. Mas nunca se sabe: o Universo é cheio de surpresas. E quanto melhor nossa capacidade de olhar se torna, mais tendemos a encontrar. Eu não ficaria muito surpreso se a próxima grande missão a Júpiter (ou outros gigantes gasosos) descobrisse esse fenômeno exato!

Talvez as luas-de-luas sejam reais, e basta procurar no lugar certo para descobri-las?

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