Mặt trăng có tốc độ vừa phải để không đâm vào Trái đất hoặc thoát ra ngoài không gian. Tỷ lệ cược là bao nhiêu?
Sự hiểu biết của tôi là mặt trăng được tạo ra từ rất lâu trước đây khi Trái đất bị một tiểu hành tinh lớn va vào.
Các mảnh vỡ sau đó kết tụ thành Mặt trăng, nó sẽ quay quanh với tốc độ chính xác cần thiết để không đâm trở lại Trái đất, cũng như thoát ra ngoài không gian.
Có tốc độ chính xác chính xác dường như rất khó xảy ra. Tuy nhiên, mặt trăng của chúng ta ở đó, và nhiều hành tinh khác có mặt trăng.
Có phải đây chỉ là một vài người sống sót trong số hàng ngàn sự kiện không có tốc độ «goldilock»?
Trả lời
Không có "tốc độ Goldilocks" cho quỹ đạo. Nếu bạn đặt hai vật trong không gian, và cho chúng một vận tốc so với nhau, thì với điều kiện vận tốc đó nhỏ hơn vận tốc thoát (ở khoảng cách tương đối của chúng) thì hai vật sẽ quay quanh nhau.
Các quỹ đạo đó sẽ là hình elip, và có thể hình elip đó mỏng và đủ "lệch tâm" để hai vật thể va chạm khi chúng ở gần nhau nhất. Nhưng đối với một vật thể cách Trái đất vài trăm nghìn km, có thể có rất nhiều quỹ đạo hình elip.
Vì vậy, khi (và nếu) vụ va chạm lớn xảy ra, có một lượng lớn vật chất được đẩy lên không gian. Một số có thể di chuyển quá nhanh nên nó thoát ra ngoài, Một số chắc chắn đã đi vào quỹ đạo không có đủ năng lượng và các hình elip nhỏ nhỏ cũng vậy và vật chất rơi trở lại Trái đất. Nhưng có rất nhiều thứ đã kết thúc theo một quỹ đạo hình elip nào đó. Tất cả các vật chất này không nằm trong cùng một quỹ đạo, nhưng nó bắt đầu kết hợp lại và hình thành một quả cầu duy nhất, dưới lực hấp dẫn của chính nó.
Các mặt trăng khác không được hình thành như vậy, chúng hoặc được hình thành cùng lúc với các hành tinh của chúng như một "hệ mặt trời nhỏ" (chẳng hạn như bốn mặt trăng chính của Sao Mộc) hoặc chúng bị bắt từ tiểu hành tinh hoặc vành đai Kuiper). Ban đầu, các mặt trăng bị bắt có thể có quỹ đạo khá hình elip.
Nhưng hầu hết các mặt trăng đều có quỹ đạo khá tròn. Ngay cả khi mặt trăng ban đầu nằm trong quỹ đạo hình elip, hiệu ứng thủy triều sẽ có xu hướng làm cho quỹ đạo tròn hơn. Một hệ thống hành tinh và mặt trăng có một lượng mômen động lượng nhất định và một lượng năng lượng nhất định. Mô men động lượng không thể thay đổi, nhưng năng lượng có thể được chuyển đổi thành nhiệt và vì thủy triều tiêu tán một số năng lượng dưới dạng nhiệt, quỹ đạo sẽ có xu hướng thay đổi thành hình dạng giảm thiểu năng lượng, đối với một lượng mô men động lượng nhất định. Hình dạng đó là một hình tròn. (Xem Quỹ đạo của mặt trăng có tuần hoàn không? Tại sao sự gia nhiệt của thủy triều lại làm quỹ đạo tuần hoàn? )
Vì vậy, ảnh hưởng của thủy triều là cung cấp cho các mặt trăng "tốc độ Goldilocks" để giữ chúng ở một quỹ đạo tròn.
Sự hiểu biết của tôi là mặt trăng được tạo ra từ rất lâu trước đây khi Trái đất bị một tiểu hành tinh lớn va vào.
Một tiểu hành tinh lớn? Nếu bạn muốn gọi sao Hỏa là một "tiểu hành tinh lớn", thì đúng vậy, giả thuyết va chạm khổng lồ nói rằng Trái đất đã bị một tiểu hành tinh lớn va vào. Nếu giả thuyết về vụ va chạm khổng lồ là đúng, thì khối lượng của tác động va chạm lớn hơn đáng kể (theo hệ số từ tám đến mười) so với khối lượng của Mặt trăng. Phần lớn khối lượng của va chạm rơi trở lại phần proto-Earth. Một số lượng rất nhỏ có thể đã thoát ra ngoài.
Phần còn lại của mảnh vỡ, gần bằng một phần mười khối lượng ban đầu của va chạm, có đủ năng lượng để quay quanh quỹ đạo nhưng không đủ năng lượng để thoát ra. Đám mây mảnh vụn sau đó quay vòng, và sau đó tự hút.
Đây có thể là một bức tranh quá đẹp, dẫn đến điểm tiếp theo của tôi:
Điều này dường như cực kỳ khó xảy ra.
Rằng điều này có thể cực kỳ khó xảy ra là một trong những giải pháp được đề xuất cho Nghịch lý Fermi , đặt câu hỏi tại sao những sinh vật ngoài hành tinh không chiếm đóng Trái đất: Người ngoài hành tinh ở đâu? Nếu sự sống thông minh đòi hỏi một hành tinh trong vùng Goldilocks, một vụ va chạm Goldilocks tạo ra một mặt trăng lớn giúp ổn định hướng hành tinh, một lượng nước Goldilocks và khí hậu Goldilocks giữ cho khí hậu tương đối ổn định trong hơn một tỷ năm, thì có lẽ là thông minh cuộc sống là vô cùng hiếm hoi. Con người chúng ta có thể ở đây bởi vì hành tinh của chúng ta là một trong số ít những người chiến thắng trong một cuộc xổ số giữa các thiên hà, trong đó hầu hết mọi hành tinh đều là kẻ thua cuộc.
Tôi chỉ muốn thêm một số con số. Trạm Vũ trụ Quốc tế quay quanh quỹ đạo với tốc độ 7,66 km / s (27.600 km / h). Mặt khác, vận tốc thoát của Trái đất vào khoảng 11 km / s (40.000 km / h). Điều này có nghĩa là bất cứ thứ gì có tốc độ trong phạm vi đó sẽ quay quanh Trái đất. Vì vậy, nó không cần phải là một loại tốc độ chính xác nào đó để các vật thể vẫn ở trong quỹ đạo của Trái đất. Đúng ra, quỹ đạo của các mảnh vỡ từ vụ va chạm khổng lồ có hình dạng khác nhau, nhưng qua hàng triệu năm, chúng bắt đầu kết tụ lại với nhau và cuối cùng vật thể lớn nhất đã làm sạch các mảnh vỡ nhỏ hơn vì quỹ đạo có hình dạng khác nhau không bền vững về lâu dài.
Bạn có thể giả định một cách hợp lý rằng kết quả của vụ va chạm là một đám mây lớn gồm các mảnh vỡ với nhiều kích cỡ khác nhau. Một số bit sẽ nhanh chóng quay trở lại những gì còn lại của Trái đất, các bit khác sẽ bay ra ngoài không gian và một số bit ít nhiều ở lại quỹ đạo đủ lâu để kết hợp lại với Mặt trăng. Ở quy mô này, chất rắn hoạt động ít nhiều giống như chất lỏng và do đó, cả Trái đất và Mặt trăng đều hình thành nên những hình dạng gần như hình cầu. Mặt trăng của sao Hỏa, nhỏ hơn một chút và (IIRC) mới hơn, khá ít hình cầu hơn.
Tôi không chắc mình có hiểu câu hỏi của bạn hay không hay tôi đã không trả lời đúng câu hỏi của bạn. Tuy nhiên, trái đất đã bị bắn phá bởi nhiều mảnh vụn trôi nổi xung quanh trong hệ mặt trời. Điều này là do thực tế là trong vành đai xung quanh Mặt trời, các tập hợp vật chất khác nhau đã xảy ra thông qua lực hút lẫn nhau của các vật chất nhỏ hơn, lớn lên. Đây là cách tất cả các hành tinh hình thành trong các hệ sao. Tại một thời điểm nhất định, các mảnh vụn đa dạng tập hợp lại với nhau ở nơi đủ lớn để được gọi là hành tinh proto và phần còn lại vẫn được gọi là mảnh vỡ hoặc tiểu hành tinh.
Lý thuyết bạn đang đề cập được gọi là lý thuyết tác động khổng lồ hoặc tác động Theia. Trái đất không bị tấn công bởi một tiểu hành tinh, mà bởi một hành tinh proto khác tên là Theia. Người ta cho rằng điều này đã xảy ra rất nhiều, cả ở các hệ sao khác. Thực tế là từ tác động này, trái đất và mặt trăng được hình thành ở dạng chúng hiện có, là duy nhất trong hệ mặt trời của chúng ta. Chúng tôi chỉ nhìn thấy nó với trái đất. Tuy nhiên, va chạm giữa các hành tinh proto không được coi là hiếm trong hệ mặt trời sơ khai, vì vậy khả năng va chạm Theia có thể xảy ra là rất nhỏ, nhưng xét về khả năng va chạm của các hành tinh proto là rất cao, khả năng là có.
Bây giờ quay lại nhận xét của bạn rằng mặt trăng có tốc độ chính xác để ở trên quỹ đạo với trái đất. Đây không phải là sự thật. Mặt trăng thực sự có tốc độ quá cao để ở trong quỹ đạo và khoảng cách giữa trái đất và mặt trăng ngày càng lớn hơn mỗi năm. Các phép đo có độ chính xác cao được thực hiện và cho thấy rằng mặt trăng đang quay theo hình xoắn ốc ra khỏi trái đất với tốc độ khoảng 4 cm mỗi năm. Tất nhiên, trong suốt 4 tỷ năm qua, khoảng cách này là một khoảng cách khá xa và nó cho thấy tốc độ không chính xác, nhưng hơi quá cao.
Tuy nhiên, một vụ va chạm giống như Theia giữa sao Kim và một hành tinh proto khác sẽ không dẫn đến một hệ thống hành tinh mặt trăng, do lực thủy triều từ mặt trời. Một điều tương tự sẽ áp dụng cho sao Hỏa, nhưng ở đây sao Mộc là lý do cho sự vắng mặt của một cặp như vậy. Các hành tinh bên ngoài quá lớn và sẽ không dẫn đến việc vật chất có thể thoát khỏi lực hấp dẫn của hành tinh.
Vì vậy, vâng, sự tồn tại của mặt trăng trên trái đất có thể được coi là một tình huống độc nhất vô nhị, nhưng đây không phải là do loại tác động đã không xảy ra. Đó là bởi vì trái đất nằm ở khoảng cách phù hợp với mặt trời và sao Mộc nên kết quả là một cặp như vậy. Những tác động như tác động Theia không phải là hiếm. Tuy nhiên, hãy hiểu rằng tác động Theia là một lý thuyết được chấp nhận tốt, nhưng không còn nghi ngờ gì nữa. Có một số câu hỏi về tính hợp lệ của lý thuyết này.
Trân trọng, MacUserT
Một điểm chưa được đề cập ở trên là đám vật chất nguyên thủy cuối cùng hình thành Mặt trăng, về trung bình, sẽ có cùng hướng quỹ đạo quanh Trái đất như Mặt trăng ngày nay. Trong trường hợp đó, chúng ta không nên bỏ qua các va chạm giữa vật liệu đó khi mômen hướng tâm bị hủy bỏ và chỉ để lại, hoặc phần lớn, mômen tiếp tuyến (có thể với vật liệu dạng than). Tương tự, các va chạm song song với trục của quỹ đạo nói chung sẽ làm giảm mômen song song với trục của quỹ đạo và dẫn đến một đĩa vật chất (như được thấy đối với các vành đai của Sao Thổ). Khi đó, lực tự trọng sẽ tạo ra 'cục u' trong đĩa và khối u ưu thế sẽ ưu tiên hút vật chất vào chính nó và tạo thành một cơ thể duy nhất. Nó không phải là một vấn đề động lực học quỹ đạo mà còn là một trong những thống kê tổng hợp và trao đổi động lượng.