La luna tiene la velocidad justa para no estrellarse contra la Tierra o escapar al espacio. ¿Cuáles son las probabilidades?

Jan 30 2021

Tengo entendido que la luna se creó hace mucho tiempo cuando la Tierra fue golpeada por un gran asteroide.

Luego, los escombros se aglomeraron en la Luna, que está orbitando a la velocidad exacta requerida para no chocar contra la Tierra ni escapar al espacio.

Tener la velocidad exacta exacta parece extremadamente improbable. Sin embargo, nuestra luna está ahí y muchos otros planetas tienen lunas.

¿Son estos solo los pocos supervivientes de miles de eventos que no tuvieron la velocidad de "Ricitos de Oro"?

Respuestas

74 JamesK Jan 30 2021 at 17:46

No hay una "velocidad de Ricitos de Oro" para la órbita. Si coloca dos objetos en el espacio y les da una velocidad relativa entre sí, siempre que la velocidad sea menor que la velocidad de escape (a su distancia relativa), los dos objetos orbitarán entre sí.

Esas órbitas serán elípticas y es posible que la elipse sea lo suficientemente delgada y "excéntrica" ​​como para que los dos cuerpos choquen cuando están más cerca el uno del otro. Pero para un objeto que se encuentra a varios cientos de miles de kilómetros de la Tierra, existe una gama bastante amplia de posibles órbitas elípticas.

Entonces, cuando (y si) ocurrió la gran colisión, hubo una gran cantidad de materia que fue expulsada al espacio. Algunos probablemente se movían tan rápido que escapó. Algunos ciertamente entraron en órbitas que no tenían suficiente energía y, por lo tanto, eran pequeñas elipses delgadas y la materia volvió a caer a la Tierra. Pero hubo muchas cosas que terminaron en una especie de órbita elíptica. Esta materia no estaba toda en la misma órbita, pero comenzó a fusionarse y formarse en una sola bola, bajo su propia gravedad.

Otras lunas no se formaron así, o se formaron al mismo tiempo que sus planetas como un "mini sistema solar" (como las cuatro lunas principales de Júpiter) o fueron capturadas del asteroide o cinturones de Kuiper). Inicialmente, las lunas capturadas pueden haber tenido órbitas bastante elípticas.

Pero la mayoría de las lunas tienen órbitas bastante circulares. Incluso si la luna estaba originalmente en una órbita elíptica, los efectos de las mareas tenderán a hacer que la órbita sea más circular. Un sistema planetario y lunar tiene una cierta cantidad de momento angular y una cierta cantidad de energía. El momento angular no puede cambiar, pero la energía se puede convertir en calor y, dado que las mareas disipan algo de energía en forma de calor, la órbita tenderá a cambiar a una forma que minimice la energía, para una determinada cantidad de momento angular. Esa forma es un círculo. (Ver ¿Se está circularizando la órbita de la luna? ¿Por qué el calentamiento de las mareas circulariza las órbitas? )

Entonces, el efecto de las mareas es dar a las lunas la "velocidad de Ricitos de Oro" que las mantiene en una órbita circular.

21 DavidHammen Jan 30 2021 at 18:14

Tengo entendido que la luna se creó hace mucho tiempo cuando la Tierra fue golpeada por un gran asteroide.

¿Un gran asteroide? Si quiere llamar a Marte un "gran asteroide", entonces sí, la hipótesis del impacto gigante dice que la Tierra fue golpeada por un gran asteroide. Si la hipótesis del impacto gigante es correcta, la masa del impactador era significativamente mayor (en un factor de ocho a diez) que la masa de la Luna. La gran mayoría de la masa del impactador volvió a caer sobre la proto-Tierra. Es posible que se haya escapado una cantidad muy pequeña.

El resto de los escombros, aproximadamente una décima parte de la masa original del impactador, tenía suficiente energía para orbitar pero no suficiente para escapar. Luego, la nube de escombros se hizo circular y luego se atrajo a sí misma.

Esta podría ser una imagen demasiado bonita, lo que me lleva a mi siguiente punto:

Esto parece extremadamente improbable.

Que esto pueda ser extremadamente improbable es una de las soluciones propuestas a la paradoja de Fermi , que pregunta por qué los seres extraterrestres no han colonizado la Tierra: ¿Dónde están los extraterrestres? Si la vida inteligente requiere un planeta en la zona de Ricitos de Oro, una colisión de Ricitos de Oro que crea una luna masiva que estabiliza la orientación del planeta, una cantidad de agua de Ricitos de Oro y un clima de Ricitos de Oro que mantiene el clima relativamente estable durante más de mil millones de años, entonces quizás sea inteligente la vida es extremadamente rara. Los humanos podemos estar aquí porque nuestro planeta fue uno de los pocos ganadores de una lotería intergaláctica en la que casi todos los planetas son perdedores.

7 stackzebra Jan 31 2021 at 03:50

Solo quiero agregar algunos números. La Estación Espacial Internacional orbita a una velocidad de 7,66 km / s (27.600 km / h). Por otro lado, la velocidad de escape de la Tierra es de alrededor de 11 km / s (40.000 km / h). Esto significa que cualquier cosa con la velocidad en ese rango orbitará la Tierra. Por lo tanto, no es necesario que haya algún tipo de velocidad precisa para que los objetos permanezcan en la órbita de la Tierra. Por supuesto, las órbitas de los fragmentos del impacto del Gigante tenían diferentes formas, pero durante millones de años comenzaron a agruparse y, finalmente, el objeto más grande limpió los fragmentos más pequeños porque las órbitas de diferentes formas no son sostenibles a largo plazo.

5 user37879 Jan 31 2021 at 08:51

Podría suponer razonablemente que el resultado de la colisión fue una gran nube de escombros de varios tamaños. Algunos bits habrán regresado rápidamente a lo que quedó de la Tierra, otros bits habrán salido volando al espacio y algunos bits permanecieron más o menos en órbita el tiempo suficiente para fusionarse en la Luna. A esta escala, los sólidos se comportan más o menos como líquidos, por lo que tanto la Tierra como la Luna adoptaron formas aproximadamente esféricas. Las lunas de Marte, al ser algo más pequeñas y (IIRC) más nuevas, son bastante menos esféricas.

3 MacUserT Jan 30 2021 at 17:56

No estoy seguro de haber entendido su pregunta o simplemente no respondí bien a su pregunta. Sin embargo, la tierra ha sido bombardeada por muchos escombros flotando en el sistema solar primitivo. Esto se debió al hecho de que en el cinturón alrededor el sol varias agregaciones de material sucedieron a través de la atracción mutua de materiales más pequeños, que crecieron. Así es como todos los planetas se formaron en sistemas estelares. En un cierto período de tiempo, los diversos escombros agrupados eran lo suficientemente grandes como para ser llamados protoplanetas y el resto todavía se llamaba escombros o asteroides.

La teoría que está mencionando se llama teoría del impacto gigante o impacto de Theia. La Tierra no fue golpeada por un asteroide, sino por otro protoplaneta llamado Theia. Se supone que esto ha sucedido mucho, también en otros sistemas estelares. El hecho de que a partir de este impacto la Tierra y la Luna se formaran en la forma que tienen actualmente, es único en nuestro sistema solar. Solo lo vemos con la tierra. Sin embargo, los impactos entre protoplanetas no se consideran raros en el sistema solar temprano, por lo que la posibilidad de que el impacto de Theia pudiera ocurrir podría haber sido pequeña, pero considerando que la posibilidad de colisionar protoplanetas era muy alta, la posibilidad estaba ahí.

Ahora volvamos a su observación de que la luna tiene exactamente la velocidad adecuada para permanecer en órbita con la tierra. Esto no es verdad. En realidad, la luna tiene una velocidad demasiado alta para permanecer en órbita y la distancia entre la tierra y la luna aumenta cada año. Se realizan mediciones de alta precisión que sugieren que la luna se aleja en espiral de la tierra con una velocidad de aproximadamente 4 centímetros por año. De ahí el curso de los últimos 4 mil millones de años, esto ha sido una gran distancia y sugiere que la velocidad no es exactamente la correcta, pero un poco demasiado alta.

Aún así, una colisión similar a la de Theia entre Venus y otro protoplaneta no habría resultado en un sistema planetario lunar, debido a las fuerzas de marea del sol. Algo similar se aplicaría a Marte, pero aquí Júpiter es la razón de la ausencia de ese par. Los planetas exteriores son demasiado grandes y no habrían resultado en que el material pudiera escapar de la gravedad del planeta.

Entonces, sí, la existencia de la Tierra Luna puede verse como una situación única, pero esto no se debe a que el tipo de impactos no ocurrieron. Se debe a que la Tierra estaba a la distancia correcta del Sol y Júpiter para dar como resultado ese par. Los impactos como el de Theia no fueron raros. Sin embargo, comprenda que el impacto de Theia es una teoría que tiene buena aceptación, pero no es indudable. Hay varias preguntas sobre la validez de esta teoría.

Saludos cordiales, MacUserT

3 DrPaulADaniels Feb 01 2021 at 22:30

Un punto que no se mencionó anteriormente es que el enjambre primordial de material que eventualmente formaría la Luna tendría, en promedio, la misma dirección de órbita alrededor de la Tierra que la Luna en la actualidad. En ese caso, no debemos ignorar las colisiones entre ese material donde los momentos radiales se cancelan y dejar solo, o principalmente, los momentos tangenciales (posiblemente con material coalecido). De manera similar, las colisiones paralelas al eje de la órbita generalmente reducirían los momentos paralelos al eje de la órbita y conducirían a un disco de material (como se ve en los anillos de Saturno). La autogravedad crearía entonces un "abultamiento" en el disco y el bulto dominante atraería preferentemente material hacia sí mismo y formaría un solo cuerpo. No es solo un problema de dinámica orbital, sino también de intercambio de impulso y estadísticas de agregación.

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