La lune a juste la bonne vitesse pour ne pas s'écraser sur la Terre ou s'échapper dans l'espace. Quelles sont les chances?
Je crois comprendre que la lune a été créée il y a longtemps lorsque la Terre a été frappée par un gros astéroïde.
Les débris se sont ensuite agglomérés dans la Lune, qui se trouve en orbite à la vitesse exacte requise pour ne pas s'écraser sur la Terre, ni s'échapper dans l'espace.
Avoir la bonne vitesse exacte semble extrêmement improbable. Pourtant, notre lune est là, et de nombreuses autres planètes ont des lunes.
Est-ce que ce ne sont que les quelques survivants parmi des milliers d'événements qui n'avaient pas la vitesse «goldilock»?
Réponses
Il n'y a pas de "vitesse Goldilocks" pour l'orbite. Si vous placez deux objets dans l'espace et que vous leur donnez une vitesse relative l'un par rapport à l'autre, alors à condition que cette vitesse soit inférieure à la vitesse d'échappement (à leur distance relative), les deux objets tourneront en orbite.
Ces orbites seront elliptiques, et il est possible que l'ellipse soit suffisamment maigre et "excentrique" pour que les deux corps entrent en collision lorsqu'ils sont les plus proches l'un de l'autre. Mais pour un objet situé à plusieurs centaines de milliers de kilomètres de la Terre, il existe une gamme assez large d'orbites elliptiques possibles.
Donc, quand (et si) la grande collision s'est produite, il y avait une énorme quantité de matière qui a été éjectée dans l'espace. Certains se déplaçaient probablement si vite qu'ils se sont échappés, Certains sont certainement allés sur des orbites qui n'avaient pas assez d'énergie, de même que de petites ellipses maigres et la matière est retombée sur Terre. Mais il y avait beaucoup de choses qui se sont terminées dans une sorte d'orbite elliptique. Cette matière n'était pas toutes sur la même orbite, mais elle a commencé à se fondre et à se former en une seule boule, sous sa propre gravité.
Les autres lunes ne se sont pas formées ainsi, elles se sont soit formées en même temps que leurs planètes comme un «mini système solaire» (comme les quatre grandes lunes de Jupiter) soit elles ont été capturées dans les ceintures d'astéroïdes ou de Kuiper). Au départ, les lunes capturées peuvent avoir eu des orbites plutôt elliptiques.
Mais la plupart des lunes sont sur des orbites plutôt circulaires. Même si la lune était à l'origine sur une orbite elliptique, les effets de marée auront tendance à rendre l'orbite plus circulaire. Un système de planète et de lune a une certaine quantité de moment cinétique et une certaine quantité d'énergie. Le moment cinétique ne peut pas changer, mais l'énergie peut être convertie en chaleur et comme les marées dissipent de l'énergie sous forme de chaleur, l'orbite aura tendance à se transformer en une forme qui minimise l'énergie, pour une quantité donnée de moment cinétique. Cette forme est un cercle. (Voir L'orbite de la lune circule-t-elle? Pourquoi le chauffage par marée circule-t-il les orbites? )
Ainsi, l'effet des marées est de donner aux lunes la "vitesse de Boucle d'or" qui les maintient sur une orbite circulaire.
Je crois comprendre que la lune a été créée il y a longtemps lorsque la Terre a été frappée par un gros astéroïde.
Un gros astéroïde? Si vous voulez appeler Mars un "gros astéroïde", alors oui, l'hypothèse de l'impact géant dit que la Terre a été touchée par un gros astéroïde. Si l'hypothèse de l'impact géant est correcte, la masse de l'impacteur était significativement plus grande (d'un facteur de huit à dix) que la masse de la Lune. La grande majorité de la masse de l'impacteur est retombée sur la proto-Terre. Une très petite quantité peut avoir échappé.
Le reste des débris, environ un dixième de la masse d'origine de l'impacteur, avait assez d'énergie pour orbiter mais pas assez d'énergie pour s'échapper. Le nuage de débris s'est alors circularisé, puis s'est attiré.
C'est peut-être une image trop jolie, ce qui m'amène à mon point suivant:
Cela semble extrêmement improbable.
Que cela soit extrêmement improbable est l'une des solutions proposées au paradoxe de Fermi , qui demande pourquoi les êtres extraterrestres n'ont pas colonisé la Terre: où sont les extraterrestres? Si la vie intelligente nécessite une planète dans la zone Boucle d'or, une collision Boucle d'or qui crée une lune massive qui stabilise l'orientation de la planète, une quantité d'eau Boucle d'or et un climat Boucle d'or qui maintient le climat relativement stable pendant plus d'un milliard d'années, alors peut-être intelligent la vie est extrêmement rare. Nous, les humains, sommes peut-être ici parce que notre planète a été l'un des rares gagnants d'une loterie intergalactique dans laquelle presque toutes les planètes sont perdantes.
Je veux juste ajouter quelques chiffres. La Station spatiale internationale orbite à la vitesse de 7,66 km / s (27 600 km / h). En revanche, la vitesse de fuite de la Terre est d'environ 11 km / s (40 000 km / h). Cela signifie que tout ce qui a la vitesse dans cette plage sera en orbite autour de la Terre. Il n'est donc pas nécessaire qu'il s'agisse d'une sorte de vitesse précise pour que les objets restent sur l'orbite terrestre. Certes, les orbites des fragments de l'impact géant avaient des formes différentes, mais au cours de millions d'années, elles ont commencé à s'agglutiner et finalement le plus gros objet a nettoyé les fragments plus petits parce que les orbites de différentes formes ne sont pas durables à long terme.
Vous pourriez raisonnablement supposer que le résultat de la collision était un gros nuage de débris de différentes tailles. Certains bits seront rapidement revenus sur ce qui restait de la Terre, d'autres seront partis voler dans l'espace, et certains bits sont restés plus ou moins en orbite assez longtemps pour se fondre dans la Lune. À cette échelle, les solides se comportent plus ou moins comme des liquides et ainsi la Terre et la Lune se sont toutes deux formées en des formes à peu près sphériques. Les lunes de Mars, étant un peu plus petites et (IIRC) plus récentes, sont plutôt moins sphériques.
Je ne sais pas si j'ai compris votre question ou je n'ai tout simplement pas répondu correctement à votre question. Cependant, la terre a été bombardée par de nombreux débris flottant dans le système solaire primitif. Cela était dû au fait que dans la ceinture autour le soleil, diverses agrégations de matériaux se sont produites par attraction mutuelle de matériaux plus petits, qui ont grandi. C'est ainsi que toutes les planètes se sont formées dans des systèmes stellaires. était encore appelé débris ou astéroïdes.
La théorie que vous mentionnez s'appelle la théorie de l'impact géant ou l'impact Theia. La Terre n'a pas été frappée par un astéroïde, mais par une autre planète proto appelée Theia. On suppose que cela se produit souvent, également dans d'autres systèmes stellaires. Le fait qu'à partir de cet impact la terre et la lune se sont formées sous la forme qu'elles ont actuellement, est unique dans notre système solaire. Nous ne le voyons qu'avec la terre. Cependant, les impacts entre proto planètes ne sont pas considérés comme rares dans le système solaire primitif, de sorte que la probabilité que l'impact de Theia puisse se produire était peut-être faible, mais compte tenu du risque de collision avec des proto planètes était très élevée, la possibilité était là.
Revenons maintenant à votre remarque que la lune a exactement la bonne vitesse pour rester en orbite avec la terre. Ce n'est pas vrai. La lune a en fait une vitesse trop élevée pour rester en orbite et la distance entre la Terre et la Lune augmente chaque année. Des mesures de haute précision sont effectuées et suggèrent que la lune s'éloigne de la terre à une vitesse d'environ 4 centimètres par an. De là, au cours des 4 derniers milliards d'années, cela a donc été assez éloigné et cela suggère que la vitesse n'est pas exactement la bonne, mais un peu trop élevée.
Pourtant, une collision de type Theia entre Vénus et une autre planète proto n'aurait pas abouti à un système de planète lune, en raison des forces de marée du soleil. Une chose similaire s'appliquerait à Mars, mais ici Jupiter est la raison de l'absence d'une telle paire. Les planètes extérieures sont trop grandes et n'auraient pas permis à la matière d'échapper à la gravité de la planète.
Donc, oui, l'existence de la lune terrestre peut être considérée comme une situation unique, mais ce n'est pas parce que le genre d'impacts ne s'est pas produit. C'est parce que la terre était juste à la bonne distance du soleil et de Jupiter pour aboutir à une telle paire. Des impacts comme celui de Theia n'étaient pas rares. Cependant, comprenez que l'impact Theia est une théorie qui a une bonne acceptation, mais qui n'est pas incontestable. Il y a plusieurs questions sur la validité de cette théorie.
Cordialement, MacUserT
Un point non mentionné ci-dessus est que l'essaim primordial de matière qui formerait finalement la Lune aurait, en moyenne, la même direction d'orbite autour de la Terre que la Lune aujourd'hui. Dans ce cas, nous ne devons pas ignorer les collisions entre ce matériau où les moments radiaux sont annulés et ne laissent que, ou principalement, les moments tangentiels (éventuellement avec du matériau à base de charbon). De même, des collisions parallèles à l'axe de l'orbite réduiraient généralement les moments parallèles à l'axe de l'orbite et conduiraient à un disque de matière (comme on le voit pour les anneaux de Saturne). L'auto-gravité créerait alors des «bosses» dans le disque et la masse dominante attirerait préférentiellement la matière vers elle-même et formerait un seul corps. Ce n'est pas seulement un problème de dynamique orbitale, mais aussi un problème d'échange d'élan et d'agrégation.