A lua tem a velocidade certa para não bater na Terra ou escapar para o espaço. Quais são as hipóteses?
Meu entendimento é que a lua foi criada há muito tempo quando a Terra foi atingida por um grande asteróide.
Os detritos então se aglomeraram na Lua, que por acaso orbita na velocidade exata necessária para não colidir com a Terra nem escapar para o espaço.
Ter a velocidade correta exata parece extremamente improvável. No entanto, nossa lua está lá, e muitos outros planetas têm luas.
São estes apenas os poucos sobreviventes de milhares de eventos que não tiveram a velocidade «goldilock»?
Respostas
Não há uma "velocidade Cachinhos Dourados" para a órbita. Se você colocar dois objetos no espaço e der a eles uma velocidade em relação um ao outro, então, desde que a velocidade seja menor que a velocidade de escape (em sua distância relativa), os dois objetos irão orbitar um ao outro.
Essas órbitas serão elípticas e é possível que a elipse seja estreita e "excêntrica" o suficiente para que os dois corpos colidam quando estão mais próximos um do outro. Mas, para um objeto que está a várias centenas de milhares de km da Terra, existe uma ampla gama de órbitas elípticas possíveis.
Então, quando (e se) a grande colisão aconteceu, uma grande quantidade de matéria foi ejetada para o espaço. Alguns provavelmente estavam se movendo tão rápido que escaparam. Alguns certamente entraram em órbitas que não tinham energia suficiente e, portanto, pequenas elipses finas e a matéria voltou para a Terra. Mas muitas coisas acabaram em algum tipo de órbita elíptica. Essa matéria não estava toda na mesma órbita, mas começou a se aglutinar e formar uma única bola, sob sua própria gravidade.
Outras luas não foram formadas desta forma, elas ou se formaram ao mesmo tempo que seus planetas como um "mini sistema solar" (como as quatro luas principais de Júpiter) ou foram capturadas do asteróide ou cinturões de Kuiper). Inicialmente, as luas capturadas podem ter tido órbitas elípticas.
Mas a maioria das luas tem órbitas circulares. Mesmo que a lua estivesse originalmente em uma órbita elíptica, os efeitos das marés tenderão a tornar a órbita mais circular. Um sistema de planeta e lua tem uma certa quantidade de momento angular e uma certa quantidade de energia. O momento angular não pode mudar, mas a energia pode ser convertida em calor e, como as marés dissipam alguma energia na forma de calor, a órbita tenderá a mudar para uma forma que minimiza a energia, para uma determinada quantidade de momento angular. Essa forma é um círculo. (Consulte A órbita da lua está circularmente? Por que o aquecimento das marés circulariza as órbitas? )
Portanto, o efeito das marés é dar às luas a "velocidade Cachinhos Dourados" que as mantém em uma órbita circular.
Meu entendimento é que a lua foi criada há muito tempo quando a Terra foi atingida por um grande asteróide.
Um grande asteróide? Se você quiser chamar Marte de "grande asteróide", então sim, a hipótese do impacto gigante diz que a Terra foi atingida por um grande asteróide. Se a hipótese do impacto gigante estiver correta, a massa do impactador foi significativamente maior (por um fator de oito a dez) do que a massa da Lua. A grande maioria da massa do impactador caiu de volta para a proto-Terra. Uma quantidade muito pequena pode ter escapado.
O resto dos destroços, cerca de um décimo da massa original do impactador, tinha energia suficiente para orbitar, mas não para escapar. A nuvem de detritos então se circularou e se atraiu.
Esta pode ser uma imagem muito bonita, o que leva ao meu próximo ponto:
Isso parece extremamente improvável.
Que isso possa ser extremamente improvável é uma das soluções propostas para o Paradoxo de Fermi , que pergunta por que os seres alienígenas não colonizaram a Terra: Onde estão os alienígenas? Se a vida inteligente requer um planeta na zona Cachinhos Dourados, uma colisão Cachinhos Dourados que cria uma lua enorme que estabiliza a orientação do planeta, uma quantidade de água Cachinhos Dourados e um clima Cachinhos Dourados que mantém o clima relativamente estável por mais de um bilhão de anos, então talvez inteligente a vida é extremamente rara. Nós, humanos, podemos estar aqui porque nosso planeta foi um dos poucos vencedores em uma loteria intergalática na qual quase todos os planetas são perdedores.
Eu só quero adicionar alguns números. A Estação Espacial Internacional orbita com velocidade de 7,66 km / s (27.600 km / h). Por outro lado, a velocidade de escape da Terra é de cerca de 11 km / s (40.000 km / h). Isso significa que qualquer coisa com a velocidade nessa faixa orbitará a Terra. Portanto, não precisa haver algum tipo de velocidade precisa para que os objetos permaneçam na órbita da Terra. Concedido, as órbitas de fragmentos do impacto gigante tinham formas diferentes, mas ao longo de milhões de anos elas começaram a se agrupar e, eventualmente, o maior objeto limpou os fragmentos menores porque órbitas de formatos diferentes não são sustentáveis a longo prazo.
Você pode razoavelmente supor que o resultado da colisão foi uma grande nuvem de detritos de vários tamanhos. Alguns pedaços terão voltado rapidamente para o que restou da Terra, outros pedaços terão voado para o espaço e alguns pedaços permanecerão mais ou menos em órbita por tempo suficiente para se aglutinarem na lua. Nessa escala, os sólidos se comportam mais ou menos como líquidos e, portanto, tanto a Terra quanto a Lua se formaram em formas quase esféricas. As luas de Marte, sendo um pouco menores e (IIRC) mais recentes, são menos esféricas.
Não tenho certeza se entendi sua pergunta ou simplesmente não respondi direito. No entanto, a Terra foi bombardeada por muitos detritos flutuando no início do sistema solar. Isso se deve ao fato de que no cinturão ao redor o sol várias agregações de material aconteceram através da atração mútua de materiais menores, que cresceram. É assim que todos os planetas se formaram em sistemas estelares. Em um determinado período no tempo, os diversos fragmentos agrupados eram grandes o suficiente para serem chamados de protoplanetas e o resto ainda era chamado de detritos ou asteróides.
A teoria que você está mencionando é chamada de teoria do impacto gigante ou impacto de Theia. A Terra não foi atingida por um asteróide, mas por outro proto planeta chamado Theia. Supõe-se que isso esteja acontecendo muito, também em outros sistemas estelares. O fato de que a partir desse impacto a Terra e a Lua se formaram na forma que têm atualmente, é único em nosso sistema solar. Nós só o vemos com a terra. No entanto, impactos entre protoplanetas não são considerados raros no início do sistema solar, então a chance de que o impacto de Theia pudesse acontecer pode ter sido pequena, mas considerando que a chance de colisão de protoplanetas era muito alta, a possibilidade estava lá.
Agora, de volta à sua observação de que a lua tem exatamente a velocidade certa para permanecer em órbita com a Terra. Isso não é verdade. A lua na verdade tem uma velocidade muito alta para permanecer em órbita e a distância entre a Terra e a lua está ficando maior a cada ano. Medições de alta precisão são feitas e sugerem que a lua está se afastando da Terra com uma velocidade de cerca de 4 centímetros por ano. Daí, ao longo dos últimos 4 bilhões de anos, esta foi uma grande distância e sugere que a velocidade não é exatamente a correta, mas um pouco alta demais.
Ainda assim, uma colisão semelhante à de Theia entre Vênus e outro protoplaneta não teria resultado em um sistema de planeta lua, devido às forças das marés do sol. Uma coisa semelhante se aplicaria a Marte, mas aqui Júpiter é a razão para a ausência de tal par. Os planetas externos são muito grandes e não resultariam em material capaz de escapar da gravidade do planeta.
Então, sim, a existência da lua terrestre pode ser vista como uma situação única, mas não porque o tipo de impacto não tenha acontecido. É porque a Terra estava à distância certa do Sol e de Júpiter para resultar em tal par. Impactos como o impacto de Theia não eram raros. No entanto, entenda que o impacto de Theia é uma teoria que tem boa aceitação, mas não é indiscutível. Existem várias questões sobre a validade desta teoria.
Atenciosamente, MacUserT
Um ponto não mencionado acima é que o enxame primordial de material que eventualmente formaria a Lua teria, em média, a mesma direção de órbita ao redor da Terra que a Lua tem hoje. Nesse caso, não devemos ignorar as colisões entre aquele material onde os momentos radiais são cancelados e deixar apenas, ou principalmente, os momentos tangenciais (possivelmente com material coalhado). Da mesma forma, as colisões paralelas ao eixo da órbita geralmente reduziriam os momentos paralelos ao eixo da órbita e levariam a um disco de material (como visto para os anéis de Saturno). A autogravidade criaria então "protuberâncias" no disco e a protuberância dominante atrairia preferencialmente o material para si e formaria um único corpo. Não é apenas um problema de dinâmica orbital, mas também de troca de momento e estatísticas de agregação.