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Sistema de satélites (astronomía)

Concepto artístico del sistema de satélites de Saturno. Saturno, sus anillos y sus principales lunas heladas, desde Mimas hasta Rea. Un sistema de satélites es un conjunto de ob...

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Concepto artístico del sistema de satélites de Saturno.
A la izquierda se observa un cuerpo esférico de color amarillo parduzco (Saturno). Se muestra en un ángulo oblicuo con respecto a su plano ecuatorial. Alrededor de Saturno hay anillos y pequeñas lunas anulares. Más a la derecha se muestran lunas redondas de mayor tamaño, ordenadas según su distancia.
Saturno, sus anillos y sus principales lunas heladas, desde Mimas hasta Rea.

Un sistema de satélites es un conjunto de objetos ligados gravitacionalmente que orbitan alrededor de un objeto de masa planetaria (incluidas las enanas marrones y los planetas errantes ) o un planeta menor , o su baricentro . En general, se trata de un conjunto de satélites naturales (lunas), aunque dichos sistemas también pueden consistir en cuerpos como discos circumplanetarios, sistemas de anillos , lunas pequeñas , lunas de planetas menores y satélites artificiales , cualquiera de los cuales puede tener a su vez sus propios sistemas de satélites (véase Subsatélites ). Algunos cuerpos también poseen cuasi-satélites cuyas órbitas están influenciadas gravitacionalmente por su cuerpo principal, pero que generalmente no se consideran parte de un sistema de satélites. Los sistemas de satélites pueden tener interacciones complejas, incluidas interacciones magnéticas, de marea, atmosféricas y orbitales, como resonancias orbitales y libración . Los objetos satélite principales se designan individualmente con números romanos. Los sistemas de satélites se denominan mediante los adjetivos posesivos de su cuerpo principal (por ejemplo, " sistema joviano ") o, con menos frecuencia, por el nombre de su cuerpo principal (por ejemplo, "sistema de Júpiter"). Cuando solo se conoce un satélite, o se trata de un sistema binario con un centro de gravedad común, se puede hacer referencia a él utilizando los nombres compuestos del satélite primario y el satélite principal (por ejemplo, el " sistema Tierra-Luna ").

Se sabe que muchos objetos del Sistema Solar poseen sistemas de satélites, aunque su origen aún no está claro. Ejemplos notables incluyen el sistema joviano, con 115 lunas conocidas [ 1 ] (incluidas las grandes lunas galileanas ) y el más grande en general, el sistema saturniano, con 292 lunas conocidas (incluidos Titán y los anillos más visibles del Sistema Solar). Ambos sistemas de satélites son grandes y diversos; de hecho, todos los planetas gigantes del Sistema Solar poseen grandes sistemas de satélites, así como anillos planetarios, y se infiere que este es un patrón general. Varios objetos más alejados del Sol también tienen sistemas de satélites que consisten en múltiples lunas, incluido el complejo sistema plutoniano , donde múltiples objetos orbitan un centro de masa común , así como muchos asteroides y plutinos. Aparte del sistema Tierra-Luna y el sistema de Marte con sus dos pequeños satélites naturales, los demás planetas terrestres generalmente no se consideran sistemas de satélites, aunque algunos han sido orbitados por satélites artificiales originados en la Tierra.

Se sabe poco sobre los sistemas de satélites más allá del Sistema Solar, aunque se infiere que los satélites naturales son comunes. Se han detectado posibles indicios de exolunas alrededor de exoplanetas como Kepler-1625b . También se plantea la hipótesis de que los planetas errantes expulsados ​​de su sistema planetario podrían conservar un sistema de satélites. [ 2 ]

Formación y evolución natural

Los sistemas de satélites, al igual que los sistemas planetarios, son producto de la atracción gravitatoria, pero también se mantienen mediante fuerzas ficticias . Si bien existe consenso general en que la mayoría de los sistemas planetarios se forman a partir de discos de acreción, la formación de los sistemas de satélites es menos clara. El origen de muchas lunas se investiga caso por caso, y se cree que los sistemas más grandes se formaron mediante una combinación de uno o más procesos.

Estabilidad del sistema

Aceleraciones gravitatorias en L 4

La esfera de Hill es la región donde un cuerpo astronómico domina la atracción de los satélites. De los planetas del Sistema Solar, Neptuno y Urano tienen las esferas de Hill más grandes, debido a la menor influencia gravitacional del Sol en sus órbitas lejanas; sin embargo, todos los planetas gigantes tienen esferas de Hill con un radio cercano a los 100 millones de kilómetros. Por el contrario, las esferas de Hill de Mercurio y Ceres, al estar más cerca del Sol, son bastante pequeñas. Fuera de la esfera de Hill, el Sol domina la influencia gravitacional, con la excepción de los puntos de Lagrange .

Los satélites son estables en los puntos lagrangianos L4 y L5 . Estos se encuentran en los terceros vértices de los dos triángulos equiláteros en el plano de la órbita cuya base común es la línea entre los centros de las dos masas, de modo que el punto se encuentra detrás ( L5 ) o delante ( L4 ) de la masa más pequeña con respecto a su órbita alrededor de la masa más grande. Los puntos triangulares ( L4 y L5 ) son equilibrios estables, siempre que la relación de M1 / M2 sea aproximadamente 24,96. [ a ] [ 3 ] Cuando un cuerpo en estos puntos es perturbado, se aleja del punto, pero el factor opuesto al que aumenta o disminuye por la perturbación (ya sea la gravedad o la velocidad inducida por el momento angular) también aumentará o disminuirá, curvando la trayectoria del objeto hacia una órbita estable en forma de riñón alrededor del punto (como se ve en el sistema de referencia corrotante).

Generalmente se cree que los satélites naturales deberían orbitar en la misma dirección que la rotación del planeta (conocida como órbita prograda). Por ello, se utiliza el término « luna regular» para estas órbitas. Sin embargo, también es posible una órbita retrógrada (en dirección opuesta a la del planeta); el término « luna irregular» se utiliza para describir las excepciones conocidas a esta regla. Se cree que las lunas irregulares se han insertado en órbita mediante captura gravitacional. [ 4 ]

Teorías de acreción

Los discos de acreción alrededor de los planetas gigantes pueden ocurrir de manera similar a la formación de discos alrededor de las estrellas, a partir de los cuales se forman los planetas (por ejemplo, esta es una de las teorías para la formación de los sistemas de satélites de Urano, [ 5 ] Saturno y Júpiter). Esta nube temprana de gas es un tipo de disco circumplanetario [ 6 ] [ 7 ] conocido como disco protosatelital (en el caso del sistema Tierra-Luna, el disco protolunar). Los modelos de gas durante la formación de planetas coinciden con una regla general para la relación de masa planeta-satélite(s) de 10 000:1 [ 8 ] (una excepción notable es Neptuno). Algunos también proponen la acreción como una teoría para el origen del sistema Tierra-Luna; sin embargo, el momento angular del sistema y el núcleo de hierro más pequeño de la Luna no se pueden explicar fácilmente con esto. [ 9 ]

discos de escombros

Otro mecanismo propuesto para la formación de sistemas de satélites es la acreción de escombros. Algunos científicos teorizan que las lunas galileanas son una generación más reciente de lunas formadas por la desintegración de generaciones anteriores de lunas acrecionadas. [ 10 ] Los sistemas de anillos son un tipo de disco circumplanetario que puede ser el resultado de la desintegración de satélites cerca del límite de Roche . Dichos discos podrían, con el tiempo, coalescer para formar satélites naturales.

Teorías de colisión

Formación de las lunas de Plutón. 1: Un objeto del cinturón de Kuiper se acerca a Plutón ; 2: El objeto impacta contra Plutón; 3: Se forma un anillo de polvo alrededor de Plutón; 4: Los escombros se agrupan para formar Caronte; 5: Plutón y Caronte se relajan hasta convertirse en cuerpos esféricos.

La colisión es una de las principales teorías para la formación de sistemas de satélites, particularmente los de la Tierra y Plutón. Los objetos en un sistema de este tipo pueden ser parte de una familia colisional y este origen puede verificarse comparando sus elementos orbitales y composición. Se han utilizado simulaciones por computadora para demostrar que impactos gigantes podrían haber sido el origen de la Luna . Se cree que la Tierra primitiva tenía múltiples lunas como resultado del impacto gigante. Se han utilizado modelos similares para explicar la creación del sistema plutoniano, así como los de otros objetos del cinturón de Kuiper y asteroides. Esta es también una teoría predominante para el origen de las lunas de Marte. [ 11 ] Ambos conjuntos de hallazgos apoyan un origen de Fobos a partir de material eyectado por un impacto en Marte que se reacregó en la órbita marciana. [ 12 ] La colisión también se utiliza para explicar peculiaridades en el sistema uraniano. [ 13 ] [ 14 ] Los modelos desarrollados en 2018 explican que la rotación inusual del planeta respalda una colisión oblicua con un objeto del doble del tamaño de la Tierra que probablemente se habría reagrupado para formar las lunas heladas del sistema. [ 15 ]

Teorías de captura gravitacional

Animación que ilustra una controvertida teoría del cinturón de asteroides sobre el origen del sistema de satélites marcianos.

Algunas teorías sugieren que la captura gravitacional es el origen de Tritón, la luna principal de Neptuno, [ 16 ] las lunas de Marte, [ 17 ] y Febe, la luna de Saturno . [ 18 ] [ 19 ] Algunos científicos han propuesto atmósferas extendidas alrededor de planetas jóvenes como un mecanismo para ralentizar el movimiento de objetos que pasan cerca y así facilitar la captura. Esta hipótesis se ha propuesto para explicar las órbitas irregulares de los satélites de Júpiter y Saturno , por ejemplo. [ 20 ] Un signo revelador de captura es una órbita retrógrada, que puede resultar de un objeto que se acerca al lado del planeta hacia el cual está girando. [ 4 ] Incluso se ha propuesto la captura como el origen de la Luna de la Tierra. Sin embargo, en el caso de esta última, las proporciones isotópicas prácticamente idénticas encontradas en muestras de la Tierra y la Luna no pueden explicarse fácilmente con esta teoría. [ 21 ]

Captura temporal

Se han encontrado evidencias del proceso natural de captura de satélites mediante la observación directa de objetos capturados por Júpiter. Se han observado cinco capturas de este tipo, la más larga de aproximadamente doce años. Según modelos informáticos, se predice que la futura captura del cometa 111P/Helin-Roman-Crockett, que durará 18 años, comenzará en 2068. [ 22 ] [ 23 ] Sin embargo, las órbitas capturadas temporalmente son muy irregulares e inestables, por lo que los procesos teóricos que explican la captura estable podrían ser excepcionalmente raros.

Características e interacciones

Los sistemas de satélites naturales, en particular aquellos que involucran múltiples objetos de masa planetaria, pueden tener interacciones complejas que pueden afectar a múltiples cuerpos o a todo el sistema en general.

Sistemas de anillos

Modelo para la formación de los anillos de Júpiter

Los sistemas de anillos son agrupaciones de polvo , pequeñas lunas u otros objetos diminutos. Los ejemplos más notables son los que rodean a Saturno , pero los otros tres planetas gigantes ( Júpiter , Urano y Neptuno ) también tienen sistemas de anillos.

También se han encontrado otros objetos que poseen anillos. Haumea fue el primer planeta enano y objeto transneptuniano en el que se encontró un sistema de anillos. [ 24 ] Centauro 10199 Chariklo , con un diámetro de unos 250 kilómetros (160 mi) , es el objeto más pequeño con anillos jamás descubierto [ 25 ] que consiste en dos bandas estrechas y densas, de 6 a 7 km (4 mi) y de 2 a 4 km (2 mi) de ancho, separadas por un espacio de 9 kilómetros (6 mi) . [ 25 ] [ 26 ] La luna de Saturno Rea puede tener un sistema de anillos tenue que consiste en tres bandas estrechas y relativamente densas dentro de un disco de partículas, el primero predicho alrededor de una luna . [ 27 ]      

Se creía que la mayoría de los anillos eran inestables y se disipaban en el transcurso de decenas o cientos de millones de años. Sin embargo, los estudios de los anillos de Saturno indican que podrían datar de los primeros días del Sistema Solar. [ 28 ] Las teorías actuales sugieren que algunos sistemas de anillos podrían formarse en ciclos repetitivos, acumulándose en satélites naturales que se desintegran tan pronto como alcanzan el límite de Roche. [ 29 ] Esta teoría se ha utilizado para explicar la longevidad de los anillos de Saturno, así como la de las lunas de Marte.

Interacciones gravitacionales

Configuraciones orbitales

La resonancia de Laplace que presentan tres de las lunas galileanas . Las proporciones en la figura corresponden a los períodos orbitales . Las conjunciones se resaltan con breves cambios de color.
Representación en marco giratorio de las órbitas de intercambio en forma de herradura de Jano y Epimeteo.

Las leyes de Cassini describen el movimiento de los satélites dentro de un sistema [ 30 ] , cuyas precesiones están definidas por el plano de Laplace . [ 31 ] La mayoría de los sistemas de satélites orbitan en el plano de la eclíptica del cuerpo principal. Una excepción es la Luna, que orbita en el plano ecuatorial del planeta . [ 30 ]

Cuando los cuerpos en órbita ejercen una influencia gravitacional regular y periódica entre sí, se conoce como resonancia orbital. Las resonancias orbitales están presentes en varios sistemas de satélites:

Otras posibles interacciones orbitales incluyen la libración y la configuración coorbital. Las lunas de Saturno, Jano y Epimeteo, comparten sus órbitas, siendo la diferencia en sus semiejes mayores menor que el diámetro medio de cada una. La libración es un movimiento oscilatorio que se percibe entre los cuerpos en órbita. Se sabe que el sistema de satélites Tierra-Luna produce este efecto.

Se sabe que varios sistemas orbitan un centro de masa común y se conocen como sistemas binarios. El sistema más notable es el sistema plutoniano, que también es un sistema binario de planetas enanos. Varios planetas menores también comparten esta configuración, incluyendo "binarios verdaderos" con masas casi iguales, como 90 Antiope y (66063) 1998 RO 1. Se ha descubierto que algunas interacciones orbitales y configuraciones binarias hacen que las lunas más pequeñas adopten formas no esféricas y "volteen" caóticamente en lugar de rotar, como en el caso de Nix, Hydra (lunas de Plutón) e Hyperion (luna de Saturno). [ 33 ]

Interacción de las mareas

Diagrama del sistema Tierra-Luna que muestra cómo la protuberancia mareal es empujada hacia adelante por la rotación de la Tierra . Esta protuberancia desplazada ejerce un par neto sobre la Luna , impulsándola y ralentizando la rotación de la Tierra.

La energía mareomotriz, incluyendo la aceleración de las mareas, puede tener efectos tanto en el cuerpo principal como en los satélites. Las fuerzas de marea de la Luna deforman la Tierra y la hidrosfera; de manera similar, se ha descubierto que el calor generado por la fricción de las mareas en las lunas de otros planetas es responsable de sus características geológicamente activas. Otro ejemplo extremo de deformación física es la enorme cresta ecuatorial del asteroide cercano a la Tierra 66391 Moshup , creada por las fuerzas de marea de su luna; tales deformaciones podrían ser comunes entre los asteroides cercanos a la Tierra. [ 34 ]

Las interacciones de marea también provocan cambios en las órbitas estables con el tiempo. Por ejemplo, la órbita de Tritón alrededor de Neptuno se está reduciendo y  se predice que dentro de 3600 millones de años, esto hará que Tritón pase dentro del límite de Roche de Neptuno [ 35 ], lo que resultará en una colisión con la atmósfera de Neptuno o en la fragmentación de Tritón, formando un gran anillo similar al que se encuentra alrededor de Saturno. [ 35 ] Un proceso similar está acercando a Fobos a Marte, y se predice que en 50 millones de años colisionará con el planeta o se fragmentará en un anillo planetario . [ 36 ] La aceleración de marea , por otro lado, aleja gradualmente a la Luna de la Tierra, de modo que eventualmente podría liberarse de su atadura gravitacional y salir del sistema. [ 37 ]

Perturbación e inestabilidad

Aunque las fuerzas de marea del planeta principal son comunes en los satélites, la mayoría de los sistemas de satélites permanecen estables. Puede producirse una perturbación entre satélites, especialmente en la etapa inicial de formación, ya que la gravedad de los satélites se afecta mutuamente, lo que puede resultar en la eyección del sistema o colisiones entre satélites o con el planeta principal. Las simulaciones muestran que tales interacciones hacen que las órbitas de las lunas interiores del sistema de Urano sean caóticas y posiblemente inestables. [ 38 ] Parte de la actividad de Io puede explicarse por la perturbación de la gravedad de Europa a medida que sus órbitas resuenan. Se ha sugerido que la perturbación es una razón por la que Neptuno no sigue la proporción de masa de 10 000:1 entre el planeta principal y las lunas colectivas, como se observa en todos los demás planetas gigantes conocidos. [ 39 ] Una teoría del sistema Tierra-Luna sugiere que un segundo compañero que se formó al mismo tiempo que la Luna, fue perturbado por la Luna al principio de la historia del sistema, lo que provocó que impactara con ella. [ 40 ]

Interacción atmosférica y magnética

Torus de gas en el sistema joviano generado por Io (verde) y Europa (azul).

Se sabe que algunos sistemas de satélites presentan interacciones gaseosas entre objetos. Ejemplos notables incluyen los sistemas de Júpiter, Saturno y Plutón. El toro de plasma de Io es una transferencia de oxígeno y azufre desde la tenue atmósfera de la luna volcánica de Júpiter , Io , y otros objetos, incluidos Júpiter y Europa. Un toro de oxígeno e hidrógeno producido por la luna de Saturno , Encélado, forma parte del anillo E que rodea a Saturno. También se ha modelado la transferencia de gas nitrógeno entre Plutón y Caronte [ 41 ] y se espera que sea observable por la sonda espacial New Horizons . Se predice la formación de toros similares producidos por la luna de Saturno, Titán (nitrógeno), y la luna de Neptuno, Tritón (hidrógeno).

Imagen de las auroras boreales de Júpiter, que muestra el óvalo auroral principal, las emisiones polares y las manchas generadas por la interacción con los satélites naturales de Júpiter.

Se han observado interacciones magnéticas complejas en sistemas de satélites. En particular, la interacción del intenso campo magnético de Júpiter con los de Ganímedes e Io. Las observaciones sugieren que dichas interacciones pueden provocar la pérdida de atmósferas en las lunas y la generación de auroras espectaculares.

Historia

Una ilustración de las obras astronómicas de al-Biruni explica las diferentes fases de la Luna con respecto a la posición del Sol .

La idea de los sistemas satelitales es anterior a la historia. Los primeros humanos conocían la Luna. Los primeros modelos astronómicos se basaban en cuerpos celestes (o una "esfera celeste") que orbitaban la Tierra. Esta idea se conocía como geocentrismo (donde la Tierra es el centro del universo). Sin embargo, el modelo geocéntrico generalmente no contemplaba la posibilidad de que objetos celestes orbitaran otros planetas observados, como Venus o Marte.

Seleuco de Seleucia (n. 190 a. C.) realizó observaciones que pueden haber incluido el fenómeno de las mareas , [ 42 ] que supuestamente teorizó que eran causadas por la atracción de la Luna y por la revolución de la Tierra alrededor de un 'centro de masa' Tierra - Luna .

A medida que el heliocentrismo (la doctrina que sostiene que el Sol es el centro del universo) ganaba popularidad en el siglo XVI, la atención se centró en los planetas y la idea de sistemas de satélites planetarios cayó en desuso. Sin embargo, en algunos de estos modelos, el Sol y la Luna habrían sido satélites de la Tierra.

Nicolás Copérnico publicó un modelo en el que la Luna orbitaba alrededor de la Tierra en su obra Dē revolutionibus orbium coelestium ( Sobre las revoluciones de las esferas celestes ), en el año de su muerte, 1543.

No fue hasta el descubrimiento de las lunas galileanas por Galileo , ya sea en 1609 o en 1610 , que se encontró la primera prueba definitiva de que los cuerpos celestes orbitaban alrededor de los planetas.

La primera sugerencia de un sistema de anillos fue en 1655, cuando Christiaan Huygens pensó que Saturno estaba rodeado de anillos. [ 43 ]

La primera sonda en explorar un sistema de satélites distinto al de la Tierra fue la Mariner 7 en 1969, que observó Fobos. Las sondas gemelas Voyager 1 y Voyager 2 fueron las primeras en explorar el sistema joviano en 1979.

Zonas y habitabilidad

Representación artística de una luna con océanos de agua superficial orbitando dentro de la zona habitable circunestelar.

Basándose en modelos de calentamiento por mareas, los científicos han definido zonas en los sistemas de satélites similares a las de los sistemas planetarios. Una de estas zonas es la zona habitable circumplanetaria (o "borde habitable"). Según esta teoría, las lunas más cercanas a su planeta que el borde habitable no pueden albergar agua líquida en su superficie. Al incluir los efectos de los eclipses, así como las limitaciones derivadas de la estabilidad orbital del satélite, se observa que, dependiendo de la excentricidad orbital de la luna, existe una masa mínima de aproximadamente 0,2 masas solares para que las estrellas alberguen lunas habitables dentro de la zona habitable estelar. [ 44 ]

El entorno magnético de las exolunas, que se activa de manera crítica por el campo magnético intrínseco del planeta anfitrión, se ha identificado como otro efecto en la habitabilidad de las exolunas. [ 45 ] En particular, se descubrió que las lunas a distancias de entre 5 y 20 radios planetarios de un planeta gigante pueden ser habitables desde el punto de vista de la iluminación y el calentamiento por mareas, pero aun así la magnetosfera planetaria influiría de manera crítica en su habitabilidad.

Véase también

Notas

  1. ↑ Más precisamente,25+6212{\displaystyle {\tfrac {25+{\sqrt {621}}}{2}}}≈ 24,9599357944

Referencias

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