У Луны есть такая скорость, чтобы не упасть на Землю и не улететь в космос. Каковы шансы?
Насколько я понимаю, Луна была создана давным-давно, когда на Землю ударил большой астероид.
Затем обломки скопились на Луне, которая вращается по орбите с точной скоростью, необходимой для того, чтобы ни врезаться обратно в Землю, ни улететь в космос.
Получение точной правильной скорости кажется крайне маловероятным. Тем не менее, наша луна есть, и у многих других планет есть луны.
Неужели это лишь немногие выжившие из тысяч событий, у которых не было скорости «златовласки»?
Ответы
Для орбиты не существует "скорости Златовласки". Если вы поместите два объекта в космос и зададите им скорость относительно друг друга, то при условии, что эта скорость меньше, чем скорость убегания (на их относительном расстоянии), два объекта будут вращаться друг вокруг друга.
Эти орбиты будут эллиптическими, и возможно, что эллипс будет достаточно узким и «эксцентричным», чтобы два тела столкнулись, когда они будут находиться ближе всего друг к другу. Но для объекта, находящегося в нескольких сотнях тысяч км от Земли, существует довольно широкий диапазон возможных эллиптических орбит.
Итак, когда (и если) произошло грандиозное столкновение, огромное количество материи было выброшено в космос. Некоторые, вероятно, двигались так быстро, что сбежали. Некоторые наверняка вышли на орбиты, на которых не хватало энергии, и поэтому они были маленькими тонкими эллипсами, и вещество упало обратно на Землю. Но многое оказалось на какой-то эллиптической орбите. Это вещество не находилось на одной орбите, но оно начало сливаться и формироваться в единый шар под действием собственной силы тяжести.
Другие луны не были сформированы таким образом, они либо сформировались одновременно со своими планетами в виде «мини-солнечной системы» (например, четыре главных луны Юпитера), либо были захвачены с астероидов или поясов Койпера). Изначально захваченные спутники могли иметь скорее эллиптические орбиты.
Но большинство спутников вращаются по круговым орбитам. Даже если Луна изначально находилась на эллиптической орбите, приливные эффекты будут стремиться сделать ее более круглой. Система планеты и луны имеет определенное количество углового момента и определенное количество энергии. Угловой момент не может измениться, но энергия может быть преобразована в тепло, и поскольку приливы рассеивают некоторую энергию в виде тепла, орбита будет иметь тенденцию принимать форму, которая минимизирует энергию для данного количества углового момента. Эта форма - круг. (См . Кругообразную форму орбиты Луны? Почему приливное нагревание делает орбиты круговыми? )
Таким образом, приливы придают спутникам «скорость Златовласки», которая удерживает их на круговой орбите.
Насколько я понимаю, Луна была создана давным-давно, когда на Землю ударил большой астероид.
Большой астероид? Если вы хотите назвать Марс «большим астероидом», то да, гипотеза гигантского удара гласит, что на Землю ударил большой астероид. Если гипотеза гигантского удара верна, масса ударника была значительно больше (в восемь-десять раз), чем масса Луны. Подавляющая часть массы ударника вернулась на протоземлю. Возможно, ускользнуло очень небольшое количество.
Остальной мусор, примерно десятая часть первоначальной массы ударника, имел достаточно энергии для орбиты, но не достаточно энергии, чтобы убежать. Затем облако обломков округлилось, а затем притягивалось.
Это может быть слишком красивая картинка, что приводит к следующему пункту:
Это кажется крайне маловероятным.
То, что это может быть крайне маловероятно, является одним из предлагаемых решений парадокса Ферми , который спрашивает, почему инопланетные существа не колонизировали Землю: где инопланетяне? Если разумной жизни требуется планета в зоне Златовласки, столкновение Златовласки, которое создает массивную луну, которая стабилизирует ориентацию планеты, количество воды Златовласки и климат Златовласки, который сохраняет климат относительно стабильным более миллиарда лет, тогда, возможно, разумный жизнь встречается крайне редко. Мы, люди, можем оказаться здесь, потому что наша планета была одним из немногих победителей в межгалактической лотерее, в которой почти каждая планета проиграла.
I just want to add some numbers. The International Space Station orbits with the speed of 7.66 km/s (27,600 km/h). On the other hand, Earth's escape velocity is around 11 km/s (40,000 km/h). This means that anything with the speed in that range will orbit Earth. So it doesn't need to be some kind of a precise speed for objects to remain in Earth's orbit. Granted, the orbits of fragments from the Giant impact had different shapes, but over millions of years they started to clump together and eventually the largest object cleaned the smaller fragments because orbits of different shapes are not sustainable in the long term.
Можно разумно предположить, что в результате столкновения образовалось большое облако обломков разного размера. Некоторые кусочки быстро вернутся к тому, что осталось от Земли, другие улетят в космос, а некоторые останутся более или менее на орбите достаточно долго, чтобы слиться с Луной. В этом масштабе твердые тела ведут себя более или менее как жидкости, поэтому и Земля, и Луна имеют примерно сферическую форму. Спутники Марса, будучи несколько меньшими по размеру и более новыми (IIRC), гораздо менее сферичны.
Я не уверен, понял ли я ваш вопрос, или я просто неправильно ответил на ваш вопрос. Однако в ранней Солнечной системе Земля была подвергнута бомбардировке множеством обломков, плавающих вокруг. Это произошло из-за того, что в поясе вокруг На Солнце различные скопления материала произошли за счет взаимного притяжения более мелких материалов, которые выросли. Так все планеты образовались в звездных системах. В определенный период времени различные скопления собирались вместе обломками, достаточно большими, чтобы их можно было назвать протопланетами, а остальные все еще назывался обломками или астероидами.
Теория, о которой вы говорите, называется теорией гигантского удара или столкновения Тейи. Землю ударил не астероид, а другая протопланета под названием Тейя. Предполагается, что это часто происходит и в других звездных системах. Тот факт, что в результате этого удара Земля и Луна сформировались в той форме, которую они имеют в настоящее время, уникален для нашей Солнечной системы. Мы видим это только с землей. Тем не менее, столкновения между протопланетами не считаются редкостью в ранней Солнечной системе, поэтому вероятность того, что столкновение с Тейей могло произойти, была мала, но, учитывая вероятность столкновения протопланет, вероятность была очень высока.
А теперь вернемся к вашему замечанию о том, что Луна имеет правильную скорость, чтобы оставаться на орбите с Землей. Это неправда. На самом деле Луна имеет слишком высокую скорость, чтобы оставаться на орбите, а расстояние между Землей и Луной с каждым годом увеличивается. Измерения с высокой точностью позволяют предположить, что Луна удаляется от Земли по спирали со скоростью около 4 сантиметров в год. Отсюда за последние 4 миллиарда лет это было довольно большое расстояние, и это говорит о том, что скорость не совсем правильная, но слишком высокая.
Тем не менее, столкновение Венеры с другой протопланетой по типу Тейи не привело бы к образованию лунной системы из-за приливных сил Солнца. То же самое применимо и к Марсу, но здесь Юпитер - причина отсутствия такой пары. Внешние планеты слишком велики, и это не привело бы к тому, что материал смог бы избежать гравитации планеты.
Итак, да, существование земной луны можно рассматривать как уникальную ситуацию, но это не потому, что такого рода ударов не произошло. Это потому, что Земля находилась как раз на правильном расстоянии от Солнца и Юпитера, чтобы образовалась такая пара. Удары, подобные удару Тейи, были не редкостью. Однако следует понимать, что теория воздействия Тейи пользуется успехом, но не вызывает сомнений. Есть несколько вопросов относительно справедливости этой теории.
С уважением, MacUserT
Пункт, не упомянутый выше, заключается в том, что первичный рой материала, который в конечном итоге сформирует Луну, в среднем будет иметь то же направление орбиты вокруг Земли, что и Луна сегодня. В этом случае мы не должны игнорировать столкновения между этим материалом, в котором радиальные импульсы сокращены, и остаются только или в основном тангенциальные импульсы (возможно, со слипшимся материалом). Точно так же столкновения, параллельные оси орбиты, обычно уменьшают импульсы, параллельные оси орбиты, и приводят к диску материала (как видно на кольцах Сатурна). Тогда самогравитация создаст «комковатость» в диске, и доминирующий кусок будет предпочтительно притягивать к себе материал и образовывать единое тело. Это проблема не только орбитальной динамики, но и статистики обмена импульсом и агрегирования.