卫星如何被捕获?


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也许是在行星碰撞之后,一个月球大小的物体正在太阳系中散落。当它接近行星时,它大概遵循一条近似双曲线的路径。如果它过去了,它仍然在同一双曲线上,在反映其方法的曲线上(大概)。无论物体的速度如何,行星如何捕捉到它?它为什么不碰撞或继续过去?


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简短的答案:太阳。双曲线路径是通过解决引力两体问题得出的。如果地球和月亮是宇宙中仅有的两个物体,那么月球肯定会沿着那条光环继续前进。一旦将第三个物体添加到混合中,生成的轨迹就会变得更加复杂。
David H

@David H谢谢。我自己的数学方法并没有超出GMm / r ^ 2 = mv ^ 2 / r,但粗略地讲,是因为月亮“飞过”了行星但又离开了太阳,所以太阳的减速作用将拟双曲路径转换为椭圆形?
大卫·加纳

Answers:


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行星如何捕获卫星?

根据NASA行星概况介绍,太阳系中有178颗卫星,所以这似乎是很常见的事件。以下几节将说明实际上不太可能捕获月亮,但是当行星具有一个或多个卫星时,捕获起来会更容易。

初始条件

从初始条件开始,行星绕太阳公转,小行星绕太阳公转。

为了使捕获成为可能,小行星和行星必须接近。当小行星进入行星的影响范围内时,行星的重力是确定小行星路径的主要因素。

可能的结果

相对于行星,小行星将遵循双曲线轨迹,因此具有足够的动能以避免被捕获。可能发生各种各样的结果,但导致捕获的结果是,小行星以某种方式失去了足够的动能,使其速度降至低于行星的逃逸速度,同时保留了足够的能量以实现闭合(椭圆)轨道。主要(并非唯一)可能的结果是

  • 小行星的轨道或多或少受到了扰动,并继续脱离行星的影响范围。

  • 小行星的轨道受到干扰,小行星撞击了行星表面。通常这将是该过程的结束,但是有关地球如何捕获月球的最新理论是,一个名为Thea的物体撞击了地球,而月球则是由一些碰撞碎片形成的。

  • 小行星的轨道受到干扰,小行星的路径与行星大气相交,并随着大气中的热量而失去动能(类似于航空制动)。

  • 小行星的轨道接近行星的现有卫星,并被现有卫星加速(从某种意义上说,减速就是带有相反符号的加速度),就像信使号航天器用来在水星绕轨道运行之前减慢其速度一样。

最后两个案例承认了被捕的可能性

可能的捕获

在行星大气中失去能量后,如果小行星失去了足够的能量,它可能会进入行星周围的封闭轨道。问题在于,轨道将再次与大气相交,每次这样做都会损失能量,直到撞击到行星表面。当现有的卫星存在并且正好位于重力的适当位置以减小小行星轨道的偏心率时,就会发生捕获。

因此,最可能发生行星捕获自由小行星的情况是已经存在一个或多个卫星。即将到来的小行星必须避免进入现有卫星的希尔球 -月亮将主导小行星路径的区域。

当小行星经过月球轨道之外时,重力辅助可以使小行星加速,但是可以使小行星经过月球轨道内部时减速。在这种情况下,小行星的一些动能被转移到月球上。与航空制动捕捉一样,重力辅助捕捉需要将现有的卫星放置在正确的位置。

另一机制

在《自然》杂志上发表的一篇相当优雅的论文(如下所述)表明,两个物体在接近行星时彼此绕行可能会导致一个被海王星捕获。该机制也可以在其他情况下应用。本论文(pdf)讨论了木星的类似过程。

不规则的身体

结果表明,不规则形状的物体比球形物体更容易捕获。在行星的希尔球内运行不足以使捕获永久存在。只有希尔球体下半部分的轨道是稳定的。较高轨道上的物体可能会受到附近行星的干扰,最终可能将其弹出。但是不规则形状的物体在地球上的引力上产生微小的波动,实际上是在一个混乱的庄园中运转。当存在其他卫星或环时,这些混沌轨道会逐渐将能量转移到较低轨道的物体上,从而使新物体绕较低的轨道运行,因此不受外界干扰。[需要引用]

前进与逆行轨道

对混沌轨道的相同分析以及更早的工作还得出结论,逆行轨道比顺行轨道更稳定。逆行轨道仅在Hill球的内部稳定,而逆行轨道则可以在Hill半径的100%范围内保持稳定。因此,逆行捕获更为常见(这不是全部,研究是否成问题)。

现有多个月球,环和早期太阳系

虽然在正确的时间在正确的位置放置单个卫星的可能性很小,但是当有多个卫星时,初始有用交互作用的可能性会线性增加。但是,其他相互作用的可能性在几何上会增加,因此,一颗行星越多,越有可能捕获更多的卫星。环状物的存在还通过在新月上施加阻力,吸收能量并降低其轨道来辅助捕获,这与未捕获气体在早期太阳系中的作用几乎相同。

最大的行星拥有最多的卫星

显而易见,但最大的行星具有最多的卫星。这是因为它们具有更深的重力井,并且可以扫掠更多的物体。即使捕获的可能性很低(大多数物体只是被拉进了行星),一个稳定的trick流已经捕获了数百万个轨道。

结论

每个捕获机制都需要一组偶然的条件,因此实际上是非常罕见的事件。一种机制是当一个进入行星希尔球体时,一对共同运行的小行星分离。当小行星以较低的动能到达时,必须将小行星送给绕行星运行的其他物体,以及已经有许多卫星或环形系统时,单个小行星的几率会提高。

也可以看看


非常感谢您提供如此详尽的解释。显然,您所描述的机制确实起作用了,因为当我在1960年代首次对此感到疑惑时,太阳系只有31颗卫星(!)。现在标记为“已回答”。
大卫·加纳

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有两种影响会改变任何次要物体(“月亮”)和行星的简单双曲(或椭圆形)相对轨道。

首先,太阳的引力(木星的引力程度要小得多)。近似而言,行星-太阳系是一个圆形的双星,而月亮则是一个测试粒子(其质量可以忽略不计)。在这样的系统中,测试粒子的轨道很复杂(称为受限三体问题),但是雅可比能量阻止了捕获(类似于双曲线轨道的角动量守恒)。因此,捕获需要偏离这一近似值,特别是月球的质量不能太小和/或其他相互作用的物体参与(有关小行星捕获的维基百科页面非常令人失望)。

其次,潮汐能可以将轨道能量转换为(行星和/或月球的)内部能量,然后将其消散(转换为热量)。在幸运的情况下,此过程足以将未绑定轨道转换为绑定轨道。一旦被束缚,潮汐将继续越来越多地束缚月球。


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这是一个很好的答案,但是为了清楚起见,第二段的中间部分(围绕Jacobi能量的提法)应该进行扩展。
弗洛林·安德烈

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我个人希望第三段的出处(不是因为我对此表示怀疑,而是因为我当时对此一无所知)。我知道潮汐力对月球自旋角动量的消散作用,但是我没有考虑对轨道角动量的影响。
戴维·H

谢谢,沃尔特。这超出了我一点,但是我有了一般的想法,因此我将其标记为“已回答”。
大卫·加纳

但是通常您只需要另一个第四物体或大量物体,该数字3可以抛出以释放角动量。与提到的机制相比,这至少在您的太阳系中更有可能/更有效率。
AtmosphericPrisonEscape
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