月はどのようにして捕獲されますか?


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月サイズのオブジェクトが、おそらく惑星の衝突の後に、太陽系でゆるく動いています。惑星に近づくにつれ、おそらくほぼ双曲線の経路をたどっています。それが過去に進んだとしても、それは同じ双曲線上にあり、そのアプローチを反映した曲線上にあると考えられます(おそらく)。体の速度がどうであれ、惑星はどうやってそれを捕まえることができますか?なぜ衝突しないか、過去に進まないのですか?


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短い答え:太陽。双曲線経路は、重力の2体問題を解くことによって導出されます。地球と月が宇宙で2つのオブジェクトだけである場合、はい、月はその双曲線に沿って続いていたでしょう。ミックスに3番目のボディを追加すると、結果の軌跡は根本的に複雑になります。
David H

@David Hありがとうございます。私自身の計算はGMm / r ^ 2 = mv ^ 2 / rを超えていませんが、大雑把に言えば、月が惑星を「揺らして」いるが、太陽から遠ざかっているので、太陽の遅延効果は準双曲線パスを楕円に変換しますか?
David Garner

回答:


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惑星はどのように月を捕らえることができますか?

178個の衛星はによると、太陽系に存在するNASAの惑星ファクトシート、ので、思わ共通のイベントであることを。次のセクションでは、月の捕獲は実際にはありそうもないことを示しますが、惑星に1つ以上の月の捕獲がより簡単になります。

初期条件

初期状態から始めて、惑星は太陽の周りの軌道にあり、小惑星は太陽の周りの異なる軌道にあります。

捕獲が可能になるためには、小惑星と惑星が接近しなければなりません。小惑星が惑星の影響範囲内に入ると、惑星の重力が小惑星の経路を決定する主な要因になります。

考えられる結果

惑星に対して、小惑星は双曲線軌道をたどるので、捕獲を避けるのに十分な運動エネルギーを持っています。さまざまな結果が発生する可能性がありますが、キャプチャにつながるのは、小惑星が脱出速度を下回るのに十分な運動エネルギーを何らかの方法で失いながら、閉じた(楕円)軌道を達成するのに十分なエネルギーを保持している場合です。主な(唯一ではない)可能な結果は

  • 小惑星の軌道は、程度の差こそあれ、摂動され、惑星の影響圏から出て行きます。

  • 小惑星の軌道が乱され、小惑星が惑星表面に衝突します。通常、これでプロセスは終了しますが、地球が月を捕捉した方法に関する現在の理論は、Theaという名前の物体が地球影響を与え、月が衝突破片の一部から形成されたというものです。

  • 小惑星の軌道が乱され、小惑星の経路が惑星の大気と交差し、大気中の熱として運動エネルギーが失われます(エアロブレーキングと同様)。

  • 小惑星の軌道は惑星の既存の月に近づき、メッセンジャー宇宙船が水星を軌道に乗る前にその速度を遅くするために使用されるように、既存の月によって加速されます(減速は単なる反対の符号による加速であるという意味で)。

最後の2つのケースは、キャプチャの可能性を認めています。

可能なキャプチャ

惑星大気でエネルギーを失った後、小惑星が十分なエネルギーを失った場合、惑星の周りの閉じた軌道に入る可能性があります。問題は、軌道が再び大気と交差し、惑星の表面に衝突するまでエネルギーが失われることです。捕獲は、既存の月が存在し、その重力が小惑星の軌道の偏心を減らすためにちょうど良い場所にあるときに起こります。

したがって、惑星が無料の小惑星をキャプチャできる可能性が最も高いのは、すでに1つ以上の月が存在している場合です。入ってくる小惑星は、月が小惑星の経路を支配する領域である既存の月の丘の球に入ることを避けなければなりません。

重力アシストは、小惑星が月の軌道の外側を通過しているときに小惑星を加速できますが、小惑星が月の軌道の内側を通過しているときに減速できます。この場合、小惑星の運動エネルギーの一部は月に移動します。エアロブレーキキャプチャの場合と同様に、重力アシストキャプチャでは、既存の月が適切な場所にある必要があります。

別のメカニズム

Natureに掲載されたかなり洗練された論文(後述)は、惑星に近づくときに2つの天体が互いに周回し、1つが海王星に捕獲された可能性があることを示しています。このメカニズムは他の場合にも適用できます。この論文(pdf)では、Jupiterの同様のプロセスについて説明しています。

不規則なボディ

不規則な形状の物体は、球体よりも簡単にキャプチャできることがわかります。惑星の丘圏内を周回するだけでは、捕獲を永続させるには不十分です。ヒル球の下半分の軌道のみが安定しています。より高い軌道にある物体は近くの惑星によって摂動され、最終的には物体が放出される可能性があります。しかし、不規則な形状の物体は、地球上の重力の引力に微小な変動を及ぼし、実際には無秩序な邸宅を周回します。他の月またはリングが存在する場合、これらの混沌とし​​た軌道は、エネルギーを徐々に低い軌道にある物体に伝達し、新しい物体の軌道を低くして、外部の摂動の影響を受けなくなります。[必要な引用]

順行軌道と逆行軌道

カオス軌道の同じ分析、および以前の研究でも、逆行軌道は順行軌道よりも安定していると結論付けられました。順行軌道はヒル球の内側半分でのみ安定しますが、逆行軌道はヒル半径の100%まで安定します。したがって、逆行性のキャプチャがより一般的に観察されます(これはすべての話ではなく、調査する場合は問題です)。

複数の既存の月、リング、および初期の太陽系

単一の月が適切なタイミングで適切な場所にある確率は低いですが、複数の月がある場合、最初に役立つ相互作用の確率は直線的に上昇します。しかし、追加の相互作用の可能性は幾何学的に上昇するため、惑星が多くの衛星を持っているほど、より多く捕捉する可能性が高くなります。リングの存在はまた、新月に抗力を及ぼし、エネルギーを得て軌道を下げることにより、初期の太陽系で捕捉されなかったガスがするのとほぼ同じ方法で、捕捉を助けます。

最大の惑星は月が最も多い

当たり前かもしれませんが、最大の惑星は月が最も多いです。これは、重力井戸が深く、より多くのオブジェクトをスイープするためです。キャプチャの確率は低いですが(ほとんどのオブジェクトは惑星に引き込まれているだけです)、着実に細流が何百万もの軌道をキャプチャしています。

結論

各キャプチャメカニズムは、偶然の条件のセットを必要とするため、実際には非常にまれなイベントです。1つのメカニズムは、1つの惑星のヒル球に入ると、1組の共軌道小惑星が分離することです。個々の小惑星の確率は、小惑星が惑星を周回する他の天体に与える必要のある低い運動エネルギーで到着したとき、およびすでに多くの月またはリングシステムがあるときに改善されます。

こちらもご覧ください


このような徹底した説明に感謝します。明らかに、あなたが説明するメカニズムは機能します。なぜなら、私が1960年代にこれについて初めて疑問に思ったとき、太陽系には31の月しかありませんでした(!)。現在、「回答済み」と報告されています。
David Garner、

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小惑星(「月」)と惑星の単純な双曲線(または楕円)相対軌道を変更する2つの効果があります。

最初に、太陽の重力(そして、はるかに少ない程度の木星)。よく近似すると、惑星と太陽のシステムは円形の連星であり、月はテスト粒子です(質量は無視できます)。このようなシステムでのテスト粒子の軌道(制限された3体問題として知られています)は複雑ですが、ヤコビエネルギーは捕獲を妨げます(双曲線軌道の角運動量保存と同様)。したがって、キャプチャはこの近似からの逸脱を必要とします。特に、月の質量が小さすぎてはならず、かつ/または別の相互作用する物体が参加している必要があります(小惑星のキャプチャに関するWikipediaのページはかなりがっかりです)。

第二に、潮汐力は軌道エネルギーを(惑星および/または月の)内部エネルギーに移動させ、次にそれを放散させる(熱に変換する)ことができます。幸運な状況下では、このプロセスは非拘束を拘束軌道に変換するのに十分な場合があります。いったん結合すると、潮は月をますます結合し続けます。


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良い答えですが、2番目のパラグラフの真ん中(Jacobiエネルギーについて)は、わかりやすくするために少し拡張する必要があります。
Florin Andrei、

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そして、私は個人的に第3段落の出典を評価します(私がそれを疑っているからではなく、私がそれを知らなかったからです)。月のスピン角運動量に対する潮汐力の消散効果は知っていましたが、軌道角運動量への影響は考慮していませんでした。
デビッドH

ありがとう、ウォルター。それは私を少し超えていますが、私は一般的な考えを理解しているので、「回答済み」とマークしました。
David Garner、

しかし、通常、別の4番目のボディまたはボディの質量が必要なだけで、その3番は、角運動量を失うためにスローすることができます。これは、少なくとも、前述のメカニズムよりも、太陽系での可能性が高く、効率的です。
AtmosphericPrisonEscape
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