Luna irregular

En astronomía , una luna irregular , un satélite irregular o un satélite natural irregular es un satélite natural que sigue una órbita distante, inclinada y, a menudo, muy elíptica y retrógrada . Han sido capturados por su planeta padre, a diferencia de los satélites regulares , que se formaron en órbita alrededor de ellos. Las lunas irregulares tienen una órbita estable, a diferencia de los satélites temporales que a menudo tienen órbitas irregulares similares pero que eventualmente se marcharán. El término no se refiere a la forma; Tritón , por ejemplo, es una luna redonda pero se considera irregular debido a su órbita y orígenes.

En febrero de 2024 ^[actualizar], se conocen 228 lunas irregulares que orbitan alrededor de los cuatro planetas exteriores ( Júpiter , Saturno , Urano y Neptuno ). Las más grandes de cada planeta son Himalia de Júpiter, Febe de Saturno, Sycorax de Urano y Tritón de Neptuno. Tritón es bastante inusual para una luna irregular; si se excluye, entonces Nereida es la luna irregular más grande alrededor de Neptuno. Actualmente se cree que los satélites irregulares alguna vez fueron objetos independientes que orbitaban alrededor del Sol antes de ser capturados por un planeta cercano, al principio de la historia del Sistema Solar. Una alternativa sugiere que se originaron más lejos en el cinturón de Kuiper ^[1] y fueron capturados después del paso cercano de otra estrella ^[2].

No existe una definición precisa y ampliamente aceptada de satélite irregular. De manera informal, se considera que los satélites son irregulares si están lo suficientemente alejados del planeta como para que la precesión de su plano orbital esté controlada principalmente por el Sol, otros planetas u otras lunas. ^[4]

En la práctica, el semieje mayor del satélite se compara con el radio de la esfera de Hill del planeta (es decir, la esfera de su influencia gravitatoria), . Los satélites irregulares tienen semiejes mayores de 0,05 con apoápsides que se extienden hasta 0,65 . ^[3] El radio de la esfera de Hill se da en la tabla adyacente: Urano y Neptuno tienen radios de esfera de Hill mayores que Júpiter y Saturno, a pesar de ser menos masivos, porque están más lejos del Sol. Sin embargo, ningún satélite irregular conocido tiene un semieje mayor que exceda 0,47 . ^[5]$estilo de visualización r_{H}}$$estilo de visualización r_{H}}$$estilo de visualización r_{H}}$$estilo de visualización r_{H}}$

La Luna de la Tierra parece ser una excepción: no suele figurar como un satélite irregular a pesar de que su precesión está controlada principalmente por el Sol ^{[ cita requerida ]} y su semieje mayor es mayor que 0,05 del radio de la esfera de Hill de la Tierra. Por otro lado, Tritón de Neptuno , que probablemente es un objeto capturado, suele figurar como irregular a pesar de estar dentro de 0,05 del radio de la esfera de Hill de Neptuno, de modo que la precesión de Tritón está controlada principalmente por la achatación de Neptuno en lugar de por el Sol. ^[5] Nereida de Neptuno y Jápeto de Saturno tienen semiejes mayores cercanos a 0,05 del radio de las esferas de Hill de sus planetas progenitores: Nereida (con una órbita muy excéntrica) suele figurar como irregular, pero Jápeto no.

Las órbitas de los satélites irregulares conocidos son extremadamente diversas, pero hay ciertos patrones. Las órbitas retrógradas son mucho más comunes (83%) que las órbitas progradas. No se conocen satélites con inclinaciones orbitales superiores a 60° (o inferiores a 130° para los satélites retrógrados); además, aparte de Nereida, ninguna luna irregular tiene una inclinación inferior a 26°, y solo se encuentran inclinaciones superiores a 170° en el sistema de Saturno. Además, se pueden identificar algunas agrupaciones en las que un satélite grande comparte una órbita similar con unos pocos más pequeños. ^[5]

Dada su distancia del planeta, las órbitas de los satélites exteriores están muy perturbadas por el Sol y sus elementos orbitales cambian ampliamente en intervalos cortos. El semieje mayor de Pasiphae , por ejemplo, cambia hasta 1,5 Gm en dos años (órbita única), la inclinación alrededor de 10° y la excentricidad hasta 0,4 en 24 años (el doble del período orbital de Júpiter). ^[6] En consecuencia, se utilizan elementos orbitales medios (promediados en el tiempo) para identificar las agrupaciones en lugar de elementos osculadores en la fecha dada. (De manera similar, los elementos orbitales adecuados se utilizan para determinar las familias de asteroides ).

Es posible que se hayan capturado satélites irregulares desde órbitas heliocéntricas (de hecho, parece que las lunas irregulares de los planetas gigantes, los troyanos jovianos y neptunianos y los objetos grises del cinturón de Kuiper tienen un origen similar ^[7] ). Alternativamente, es posible que se hayan inyectado objetos transneptunianos debido al paso cercano de la estrella y que una fracción de estos TNO inyectados hayan sido capturados por los planetas gigantes ^[8] . Para que esto ocurra, debe haber sucedido al menos una de estas tres cosas:

• Disipación de energía (por ejemplo, en interacción con la nube de gas primordial)
• una extensión sustancial (40%) de la esfera de Hill del planeta en un breve período de tiempo (miles de años)
• una transferencia de energía en una interacción de tres cuerpos . Esto podría implicar:
  • una colisión (o encuentro cercano) de un cuerpo entrante y un satélite, lo que da como resultado que el cuerpo entrante pierda energía y sea capturado.
  • un encuentro cercano entre un objeto binario entrante y el planeta (o posiblemente una luna existente), lo que da como resultado que un componente del binario sea capturado. Se ha sugerido que esta ruta es la más probable para Tritón . ^[9]

Tras la captura, algunos de los satélites podrían fragmentarse, dando lugar a agrupaciones de lunas más pequeñas que seguirían órbitas similares. Las resonancias podrían modificar aún más las órbitas, haciendo que estas agrupaciones sean menos reconocibles.

Las órbitas actuales de las lunas irregulares son estables, a pesar de perturbaciones sustanciales cerca del apocentro . ^[10] La causa de esta estabilidad en varias lunas irregulares es el hecho de que orbitan con una resonancia secular o Kozai . ^[11]

Además, las simulaciones indican las siguientes conclusiones:

• Las órbitas con inclinaciones entre 50° y 130° son muy inestables: su excentricidad aumenta rápidamente provocando la pérdida del satélite ^[6].
• Las órbitas retrógradas son más estables que las progradas (se pueden encontrar órbitas retrógradas estables más alejadas del planeta)

El aumento de la excentricidad da como resultado pericentros más pequeños y apocentros más grandes. Los satélites entran en la zona de las lunas regulares (más grandes) y se pierden o son expulsados ​​por colisiones y encuentros cercanos. Alternativamente, las perturbaciones crecientes del Sol en los apocentros en crecimiento los empujan más allá de la esfera de Hill.

Los satélites retrógrados pueden encontrarse más lejos del planeta que los progrados. Integraciones numéricas detalladas han demostrado esta asimetría. Los límites son una función complicada de la inclinación y la excentricidad, pero en general, las órbitas progradas con semiejes mayores de hasta 0,47 r _H (radio de la esfera de Hill) pueden ser estables, mientras que para las órbitas retrógradas la estabilidad puede extenderse hasta 0,67 r _H .

El límite del semieje mayor es sorprendentemente nítido para los satélites progrados. Un satélite en una órbita circular prograda (inclinación = 0°) colocado a 0,5 r _H abandonaría Júpiter en tan sólo cuarenta años. El efecto se puede explicar por la llamada resonancia de evección . El apocentro del satélite, donde el agarre del planeta a la luna es más débil, queda bloqueado en resonancia con la posición del Sol. Los efectos de la perturbación se acumulan en cada paso empujando al satélite aún más hacia afuera. ^[10]

La asimetría entre los satélites progrados y retrógrados se puede explicar de forma muy intuitiva mediante la aceleración de Coriolis en el marco que gira con el planeta. En el caso de los satélites progrados, la aceleración apunta hacia afuera y en el de los retrógrados, hacia adentro, lo que estabiliza al satélite. ^[12]

La captura de un asteroide desde una órbita heliocéntrica no siempre es permanente. Según las simulaciones, los satélites temporales deberían ser un fenómeno común. ^{[13] [14]} Los únicos ejemplos observados son 2006 RH 120 y 2020 CD 3 , que fueron satélites temporales de la Tierra descubiertos en 2006 y 2020, respectivamente. ^{[15] [16] [17]}

Dado que los objetos de un tamaño determinado son más difíciles de ver cuanto mayor es su distancia de la Tierra, los satélites irregulares conocidos de Urano y Neptuno son más grandes que los de Júpiter y Saturno; probablemente existan otros más pequeños, pero aún no se han observado. Teniendo en cuenta este sesgo observacional, la distribución del tamaño de los satélites irregulares parece ser similar para los cuatro planetas gigantes.

La distribución de tamaño de los asteroides y de muchas poblaciones similares se puede expresar como una ley de potencia : hay muchos más objetos pequeños que grandes y, cuanto menor es el tamaño, más numerosos son los objetos. La relación matemática que expresa el número de objetos, , con un diámetro menor que un tamaño particular, , se aproxima a: ${\estilo de visualización N\,\!}$${\estilo de visualización D\,\!}$

${\displaystyle {\frac {dN}{dD}}\sim D^{-q}}$con q definiendo la pendiente.

El valor de q se determina mediante la observación.

En el caso de las lunas irregulares, se observa una ley de potencia poco profunda ( q ≃ 2) para tamaños de 10 a 100 km, ^† pero se observa una ley más pronunciada ( q ≃ 3,5) para objetos menores de 10 km. Un análisis de imágenes tomadas por el Telescopio Canadá-Francia-Hawái en 2010 muestra que la ley de potencia para la población de satélites retrógrados pequeños de Júpiter, hasta un límite de detección de ≈ 400 m, es relativamente poco profunda, en q ≃ 2,5. Por lo tanto, se puede extrapolar que Júpiter debería tener600+600
−300lunas de 400 m de diámetro o más. ^[18]

A modo de comparación, la distribución de los objetos grandes del cinturón de Kuiper es mucho más pronunciada ( q ≈ 4). Es decir, por cada objeto de 1000 km hay mil objetos con un diámetro de 100 km, aunque se desconoce hasta dónde se extiende esta distribución. La distribución del tamaño de una población puede proporcionar información sobre su origen, ya sea por captura, colisión y ruptura, o acreción.

^† Por cada objeto de 100 km, se pueden encontrar diez objetos de 10 km.

Alrededor de cada planeta gigante hay un satélite irregular que domina, al tener más de tres cuartas partes de la masa de todo el sistema de satélites irregulares: Himalia de Júpiter (alrededor del 75%), Febe de Saturno (alrededor del 98%), Sycorax de Urano (alrededor del 90%) y Nereida de Neptuno (alrededor del 98%). Nereida también domina entre los satélites irregulares tomados en conjunto, al tener alrededor de dos tercios de la masa de todas las lunas irregulares combinadas. Febe representa alrededor del 17%, Sycorax alrededor del 7% e Himalia alrededor del 5%: las lunas restantes suman alrededor del 4%. (En este análisis, Tritón no está incluido.) ^[5]

Los colores de los satélites irregulares pueden estudiarse mediante índices de color : medidas simples de las diferencias de la magnitud aparente de un objeto a través de filtros azul (B), visible (es decir, verde-amarillo) (V) y rojo (R) . Los colores observados de los satélites irregulares varían de neutros (grisáceos) a rojizos (pero no tan rojos como los colores de algunos objetos del cinturón de Kuiper).

El sistema de cada planeta muestra características ligeramente diferentes. Los irregulares de Júpiter son de color gris a ligeramente rojo, en consonancia con los asteroides de tipo C , P y D. ^[20] Se observa que algunos grupos de satélites muestran colores similares (ver secciones posteriores). Los irregulares de Saturno son ligeramente más rojos que los de Júpiter.

Los grandes satélites irregulares de Urano ( Sycorax y Caliban ) son de color rojo claro, mientras que los más pequeños Prospero y Setebos son grises, al igual que los satélites neptunianos Nereid y Halimede . ^[21]

Con la resolución actual, los espectros visible e infrarrojo cercano de la mayoría de los satélites parecen no tener rasgos distintivos. Hasta ahora, se ha inferido hielo de agua en Phoebe y Nereid y se han encontrado rasgos atribuidos a alteración acuosa en Himalia. ^{[ cita requerida ]}

Los satélites regulares suelen estar bloqueados por mareas (es decir, su órbita está sincronizada con su rotación, de modo que solo muestran una cara hacia su planeta padre). Por el contrario, las fuerzas de marea en los satélites irregulares son insignificantes dada su distancia del planeta, y se han medido períodos de rotación en el rango de solo diez horas para las lunas más grandes Himalia , Phoebe , Sycorax y Nereid (para comparar con sus períodos orbitales de cientos de días). Tales tasas de rotación están en el mismo rango que es típico para los asteroides . ^{[ cita requerida ]} Tritón, al ser mucho más grande y estar más cerca de su planeta padre, está bloqueado por mareas.

Algunos satélites irregulares parecen orbitar en "grupos", en los que varios satélites comparten órbitas similares. La teoría principal es que estos objetos constituyen familias de colisiones , partes de un cuerpo más grande que se desintegró.

Se pueden utilizar modelos de colisión simples para estimar la posible dispersión de los parámetros orbitales dado un impulso de velocidad Δ v . La aplicación de estos modelos a los parámetros orbitales conocidos permite estimar el Δ v necesario para crear la dispersión observada. Un Δ v de decenas de metros por segundo (5–50 m/s) podría resultar de una ruptura. Se pueden identificar agrupaciones dinámicas de satélites irregulares utilizando estos criterios y evaluar la probabilidad de un origen común a partir de una ruptura. ^[22]

Cuando la dispersión de las órbitas es demasiado amplia (es decir, se requeriría Δ v en el orden de cientos de m/s)

• o bien se debe suponer más de una colisión, es decir, el clúster debe subdividirse en grupos
• o deben postularse cambios significativos posteriores a la colisión, por ejemplo como resultado de resonancias.

Cuando se conocen los colores y los espectros de los satélites, la homogeneidad de estos datos para todos los miembros de un grupo determinado es un argumento sustancial a favor de un origen común. Sin embargo, la falta de precisión en los datos disponibles a menudo dificulta la extracción de conclusiones estadísticamente significativas. Además, los colores observados no son necesariamente representativos de la composición global del satélite.

Normalmente, se enumeran las siguientes agrupaciones (los grupos dinámicos que muestran colores homogéneos se enumeran en negrita )

• Satélites progrados
  • El grupo Himalia comparte una inclinación media de 28°. Están confinados dinámicamente (Δ v ≈ 150 m/s). Son homogéneos en longitudes de onda visibles (tienen colores neutros similares a los de los asteroides de tipo C ) y en longitudes de onda del infrarrojo cercano ^[23].
  • Los satélites progrados Themisto , Carpo y Valetudo no forman parte de ningún grupo conocido.

• Satélites retrógrados
  • El grupo Carme comparte una inclinación media de 165°. Es dinámicamente compacto (5 < Δ v < 50 m/s). Su color es muy homogéneo y cada miembro presenta una coloración rojiza clara, acorde con un progenitor de asteroide de tipo D.
  • El grupo Ananke comparte una inclinación media de 148°. Presenta una dispersión reducida de los parámetros orbitales (15 < Δ v < 80 m/s). Ananke aparece de color rojo claro, pero los demás miembros del grupo son grises.
  • El grupo Pasiphae está muy disperso. Pasiphae parece ser gris, mientras que otros miembros ( Callirrhoe , Megaclite ) son de color rojo claro.

Sinope , a veces incluida en el grupo Pasiphae, es roja y, dada la diferencia de inclinación, podría ser capturada independientemente. ^{[20] [24]} Pasiphae y Sinope también están atrapadas en resonancias seculares con Júpiter. ^{[10] [22]}

Las siguientes agrupaciones se enumeran comúnmente para los satélites de Saturno:

• Satélites progrados
  • El grupo galo comparte una inclinación media de 34°. Sus órbitas son dinámicamente estrechas (Δ v ≈ 50 m/s) y su color es rojo claro; la coloración es homogénea tanto en longitudes de onda visibles como en las del infrarrojo cercano. ^[23]
  • El grupo de los inuit comparte una inclinación media de 46°. Sus órbitas están muy dispersas (Δ v ≈ 350 m/s), pero son físicamente homogéneos y comparten una coloración rojiza clara.
• Satélites retrógrados
  • El grupo nórdico se define principalmente con fines de denominación; los parámetros orbitales están muy dispersos. Se han investigado subdivisiones, incluidas
    • El grupo Phoebe comparte una inclinación media de 174°; este subgrupo también está muy disperso y puede dividirse en al menos dos subgrupos.
    • El grupo Skathi es un posible subgrupo del grupo nórdico.

• 
  Animación del grupo de satélites inuit de Saturno
     Kiviuq  ·    Ijirak  ·    Paaliaq  ·    Siarnaq  ·   Tarqeq
• 
  Animación de la órbita de Phoebe.
     Saturno  ·    Febe  ·   Titán

Según los conocimientos actuales, el número de satélites irregulares que orbitan alrededor de Urano y Neptuno es menor que el de Júpiter y Saturno. Sin embargo, se piensa que esto se debe simplemente a dificultades de observación debido a la mayor distancia de Urano y Neptuno. La tabla de la derecha muestra el radio mínimo (r _min ) de los satélites que se pueden detectar con la tecnología actual, suponiendo un albedo de 0,04; por lo tanto, es casi seguro que existen pequeñas lunas uranianas y neptunianas que aún no se pueden ver.

Debido a que el número de fragmentos es menor, es difícil llegar a conclusiones estadísticamente significativas sobre las agrupaciones. Parece poco probable que exista un único origen para los irregulares retrógrados de Urano, dada la dispersión de los parámetros orbitales que requeriría un gran impulso (Δ v ≈ 300 km), lo que implica un gran diámetro del impactador (395 km), lo que a su vez es incompatible con la distribución del tamaño de los fragmentos. En cambio, se ha especulado sobre la existencia de dos agrupaciones: ^[20]

• Grupo Caliban
• Grupo Sycorax

Estos dos grupos son distintos (con un nivel de confianza de 3σ) en su distancia de Urano y en su excentricidad. ^[25] Sin embargo, estas agrupaciones no están respaldadas directamente por los colores observados: Caliban y Sycorax aparecen de color rojo claro, mientras que las lunas más pequeñas son grises. ^[21]

En el caso de Neptuno, se ha señalado un posible origen común de Psamathe y Neso . ^[26] Dados los colores similares (grises), también se sugirió que Halimede podría ser un fragmento de Nereida. ^[21] Los dos satélites han tenido una probabilidad muy alta (41%) de colisión a lo largo de la edad del sistema solar. ^[27]

Hasta la fecha, los únicos satélites irregulares que han sido visitados de cerca por una nave espacial son Tritón y Febe , los más grandes de los irregulares de Neptuno y Saturno respectivamente. Tritón fue fotografiado por la Voyager 2 en 1989 y Phoebe por la sonda Cassini en 2004. La Voyager 2 también capturó una imagen distante de la Nereida de Neptuno en 1989, y Cassini capturó una imagen distante de baja resolución de Himalia de Júpiter en 2000. New Horizons capturó imágenes de baja resolución de Himalia, Elara y Callirrhoe de Júpiter en 2007. A lo largo de la misión Cassini , se observaron muchos irregulares saturninos desde la distancia: Albiorix , Bebhionn , Bergelmir , Bestla , Erriapus , Fornjot , Greip , Hati , Hyrrokkin , Ijiraq , Kari , Kiviuq , Loge , Mundilfari , Narvi , Paaliaq , Siarnaq , Skathi , Skoll , Suttungr , Tarqeq , Tarvos , Thrymr y Ymir . ^[5]

Está previsto que la misión Tianwen-4 (cuyo lanzamiento se producirá en 2029) se centre en la luna regular Calisto alrededor de Júpiter, pero podría sobrevolar varios satélites jovianos irregulares antes de establecerse en la órbita de Calisto. ^[28]

• 
  71 lunas irregulares de Júpiter (con Calisto como comparación; las otras lunas galileanas también son visibles cerca del centro, aunque no están etiquetadas explícitamente). Datos de 2021.
• 
  122 lunas irregulares de Saturno (con Titán, Hiperión y Jápeto como comparación). Datos de 2023.
• 
  9 lunas irregulares de Urano. Datos de 2021.
• 
  6 lunas irregulares de Neptuno (excluido Tritón). Datos de 2021.

• Páginas de David Jewitt
• Circunstancias del descubrimiento del JPL
• Elementos orbitales medios del JPL
• MPC: Servicio de Efemérides de Satélites Naturales
• Tilmann Denk: Lunas exteriores de Júpiter y Saturno