Hur kan en planet fånga en måne?
Det finns 178 månar i solsystemet, enligt NASA Planetary Fact Sheet, så det verkar vara en vanlig händelse. Följande avsnitt kommer att visa att månfångandet faktiskt är osannolikt, men när en planet har en eller flera månar blir infångningen enklare.
Initialt tillstånd
Från och med de initiala förhållandena, planeten är i omloppsbana kring solen, och en asteroid befinner sig i en annan omloppsbana om solen.
För att fångsten ska bli möjlig måste asteroiden och planeten komma i närheten. När asteroiden kommer in i planetens inflytelsessfär är planetens allvar den viktigaste faktorn för att bestämma asteroidens väg.
Möjliga resultat
I förhållande till planeten följer asteroiden en hyperbolisk bana och har därför tillräcklig kinetisk energi för att undvika fångst. Ett stort antal resultat kan uppstå, men de som leder till fångst är de där asteroiden på något sätt tappar tillräckligt med kinetisk energi för att dess hastighet ska falla under flyghastigheten på planeten samtidigt som den behåller tillräckligt med energi för att uppnå en sluten (elliptisk) bana. De viktigaste (inte de enda) möjliga resultaten är
-
asteroidens omlopp störs, i mer eller mindre utsträckning, och det fortsätter på väg ut ur inflytningsområdet av planeten.
-
asteroidens bana störs och asteroiden påverkar planetens yta. Det skulle vanligtvis vara slutet på processen, men nuvarande teorier om hur jorden fångade månen är att en kropp som heter Thea påverkade jorden och månen bildades av en del av kollisionsresterna.
-
asteroidens omlopp störs, och asteroidens väg skär planetens atmosfär och förlorar kinetisk energi som värme i atmosfären (liknar aerobraking).
-
asteroidens omlopp närmar sig en befintlig måne på planeten och accelereras (i den meningen att retardation är bara acceleration med motsatt tecken) av den befintliga månen, som används av rymdskeppet MESSENGER till sakta ner hastigheten innan du kretsar kring Merkurius.
De två sista fallen tillåter möjligheten att fångas.
Möjlig fångst
Om asteroiden har tappat tillräckligt med energi i planetens atmosfär kan den komma in i en sluten bana runt planeten. Problemet är att banan kommer att korsa atmosfären igen och förlora energi varje gång den gör det tills den stöter på planetytan. Fångning kan inträffa när en befintlig måne är närvarande och är på rätt plats för sin gravitation för att minska excentriciteten i asteroidens omlopp.
Så, det mest troliga fallet där en planet kan fånga en fri asteroid är när det redan finns en eller flera månar närvarande. Den inkommande asteroiden måste undvika att komma in i Hill-sfären för den befintliga månen - regionen där månen skulle dominera asteroidens väg.
Gravitation assist kan påskynda en asteroid när asteroiden passerar utanför månens bana, men kan bromsa asteroiden passerar inuti banan på månen. I detta fall överförs en del av asteroidens kinetiska energi till månen. Som fallet med fångst av aerobraking kräver gravitationens assisterad fångst att den befintliga månen ska vara precis på rätt plats.
En annan mekanism
Ett ganska elegant papper publicerad i Nature (nämnd nedan) visar hur två kroppar som kretsar kring varandra när de närmar sig planeten kunde ha lett till att en fångades av Neptunus. Denna mekanism kan också tillämpas i andra fall. Denna avhandling (pdf) diskuterar en liknande process för Jupiter.
Oregelbundna kroppar
Det visar sig att kroppar med oregelbunden form lättare kan fångas upp än sfäriska kroppar. Det är inte tillräckligt att kretsa kring kullens sfär för att fångsten ska vara permanent. Endast banor i den nedre halvan av Hill-sfären är stabila. Kroppar i högre banor kan störas av närliggande planeter och kroppen kan så småningom kastas ut. Men oregelbundet formade kroppar utövar små variationer i gravitationell attraktion på planeten och kretsar faktiskt i en kaotisk herrgård. När andra månar eller ringar är närvarande överför dessa kaotiska banor gradvis energi till kropparna i de nedre banorna, vilket gör att den nya kroppen kretsar lägre och därmed blir immun mot yttre störningar. [citat behövs]
Program vs retrograd banor
Samma analys av kaotiska banor och tidigare arbete drog också slutsatsen att retrograd banor är mer stabila än progradbanor. Medan progradbanor bara är stabila i inre halvan av Hill-sfären, kan retrograda banor vara stabila ut till 100% av Hill-radien. Därför observeras retrograd fångst vanligare (detta är inte hela historien, det är fortfarande en fråga om forskning).
Flera befintliga månar, ringar och det tidiga solsystemet
Även om sannolikheten för att en enskild måne är på rätt plats vid rätt tidpunkt är låg är sannolikheten för en första hjälpsam interaktion linjärt när det finns flera månar. Men sannolikheten för ytterligare interaktioner ökar geometriskt, så ju fler månar en planet har desto mer sannolikt är det att fånga mer. Förekomsten av ringar hjälper också till att fånga genom att dra ett drag mot nymånen, ta sin energi och sänka sin bana, på ungefär samma sätt som ouppfangad gas skulle göra i det tidiga solsystemet.
De största planeterna har flest månar
Det kan vara uppenbart, men de största planeterna har flest månar. Detta beror på att de har djupare gravitationskällor och sveper i fler föremål. Trots att sannolikheten för fångst är låg (de flesta föremål dras bara in i planeten), har en stadig sippra fångat över miljontals banor.
Slutsats)
Varje fångningsmekanism kräver en otrolig uppsättning villkor, och det är faktiskt en ganska sällsynt händelse. En mekanism är att ett par med a-kretsar som kretsar kring kretslopp separeras när man går in i planetens Hill-sfär. Oddsen för en enskild asteroid förbättras när asteroiden anländer med låg kinetisk energi som måste ges till andra kroppar som kretsar kring planeten, och när det redan finns många månar eller ett ringsystem.
Se även