¿Por qué no todas las rocas en el espacio orbitan rocas más grandes?

Quiero extenderme un poco en el punto #1 de David Zaslavsky: "Un grano de polvo aleatorio probablemente no irá a la velocidad correcta para ser capturado en órbita alrededor de una roca más grande (como un asteroide)". Sin la ayuda de un tercer cuerpo, en realidad es imposible que un objeto sea "capturado" gravitacionalmente en una órbita por otro: si no estaba ya en órbita antes, no hay forma de que comience a orbitar.

La razón es simplemente la conservación de la energía. Si el objeto no estaba ya en una órbita, entonces se movía demasiado rápido, dada su distancia, para estar en una órbita. (Para decirlo al revés, estaba demasiado lejos, dada su velocidad). Incluso si el pequeño se movía en la dirección correcta para acercarse al grande, no será capturado: se moverá en una trayectoria hiperbólica, acérquese al otro objeto una vez y luego vuele de nuevo, simplemente porque tiene demasiada energía para ser capturada. La única forma de producir una órbita es que un tercer cuerpo interactúe con el sistema y extraiga algo de energía en el momento adecuado.

Eso puede suceder, pero a menos que la densidad de cosas que vuelan alrededor sea alta, es raro. Y si la densidad es alta, las colisiones posteriores, que interrumpirán la órbita, también serán comunes.

La diferencia de masa prácticamente no tiene nada que ver con si dos cosas pueden orbitar entre sí. Puede tener dos objetos de la misma masa en órbita (por ejemplo, sistemas de estrellas binarias), o puede tener dos objetos de masas muy diferentes en órbita (la Tierra y un pedazo de basura espacial), o cualquier cosa intermedia. Hay muchos factores involucrados, por ejemplo:

1. Un grano de polvo al azar probablemente no irá a la velocidad correcta para ser capturado en órbita alrededor de una roca más grande (como un asteroide).

2. Cuando los granos de polvo orbiten asteroides, probablemente habrá muchos de ellos, por lo que chocarán entre sí y perderán energía, por lo que se saldrán de la órbita con bastante rapidez.

3. Los planetas tienden a estar bastante aislados, por lo que las cosas pueden orbitarlos sin ser molestados por otros planetas. Por el contrario, las rocas más pequeñas, como los asteroides, a menudo se encuentran en grandes grupos, por lo que un grano de polvo no podría orbitar solo uno; también se vería afectado significativamente por la gravedad de otros asteroides en las cercanías.

An intriguing picture of small solar systems comes to mind.

Sin embargo, Luboš tiene razón en que, para cualquier sistema reconocible, las velocidades de captura serían tan bajas que harían que la pregunta fuera discutible.

Como ejemplo aproximado, equiparando las fuerzas gravitatorias centrípetas con las centrífugas, una partícula que orbita una masa de 100 kg a 100 metros de ella necesitaría un orden de magnitud de velocidad de diez micras por segundo, algo que difícilmente sería observable: la órbita de 628 metros sería tarda 1,7*10^4 horas en completarse.

En cualquier caso, en la vida real en nuestro espacio alrededor del sol es un problema de muchos cuerpos, como sugiere David arriba, por lo que los comportamientos estadísticos y caóticos entrarán en el problema y destruirán cualquier regularidad a pequeña escala. Solo en el espacio exterior profundo fuera del campo solar, una órbita de este tipo podría no ser perturbada y observada por un observador paciente :).

La razón de velocidades tan pequeñas es la debilidad de la constante gravitatoria G. La velocidad de una órbita estable es proporcional a la raíz cuadrada de G. La masa de la partícula en órbita no importa, ya que se elimina al igualar las fuerzas centrípeta y centrífuga.

La razón por la que no vemos partículas de polvo orbitando rocas comparativamente diminutas dentro del sistema solar es que el resto del sistema solar interfiere debido a lo lenta que debe ser dicha órbita:

• la presencia de otros cuerpos masivos perturba las órbitas de las partículas de polvo.
• la radiación solar desorbita partículas menores de aproximadamente 1 mm .
• la presión de la radiación solar es una fuerza importante para las partículas de menos de 1 µm, y también desestabiliza las órbitas que se ralentizan.
• simplemente es realmente difícil observar cualquier aparición de tales órbitas que existan (temporalmente) dentro de los límites del sistema solar, tanto porque los sistemas son pequeños como porque son lentos.

No hay ninguna razón por la que estos sistemas "planetarios" a pequeña escala no puedan existir en el espacio interestelar.

Esta es una respuesta muy tardía, pero aún no se ha seleccionado ninguna respuesta.

¿Por qué solo las rocas grandes (planetas) tienen satélites y no los pequeños?

Casi 100 asteroides tienen satélites, y algunos de ellos son bastante pequeños. Por ejemplo, el asteroide 54509 YORP tiene una masa de solo 1×10 ¹⁰ a 4×10 ¹⁰ kilogramos. Parece mucho, pero es un cuerpo con un radio medio de solo 120 metros. Mencioné 54509 YORP porque parece ser una confirmación del efecto YORP. La presión de la radiación hizo que el asteroide girara cada vez más rápido hasta que se dividió en un par de pedazos. Otra fuente propuesta para esos satélites de cuerpos pequeños son las colisiones. Otro más es la captura, pero eso es bastante difícil, particularmente para cuerpos pequeños.

Que estos satélites de cuerpos pequeños sean estables durante millones y millones de años es otra cuestión. Hay una serie de razones para pensar que no lo son.

• Los cuerpos pequeños tienen una masa pequeña y, por lo tanto, un campo de gravedad pequeño.
  Hay dos conceptos clave a tener en cuenta aquí, la esfera de Hill y la esfera de influencia de Laplace (SOI). Los dos conceptos dan diferentes indicadores de la estabilidad de la órbita de un objeto que gira alrededor de un cuerpo pequeño que, a su vez, gira alrededor de un cuerpo más grande. Suponiendo una órbita circular alrededor de un cuerpo más grande (por ejemplo, el Sol), la esfera de Hill viene dada por$a\left(\frac m {3M} \right)^{1/3}$mientras que el SOI está dado por$a\left(\frac m M \right)^{2/5}$. Aquí,$a$es el radio orbital,$m$es la masa del cuerpo más pequeño, y$M$es la masa del cuerpo mayor. Un objeto de 10 ⁶ que orbita alrededor del Sol a 3 unidades astronómicas (el cinturón de asteroides) tiene una esfera Hill de 2,5 km y un SOI de 86 metros. De cualquier manera, ese es un radio bastante pequeño sobre el cual una roca aún más pequeña puede tener una órbita estable.

• Los cuerpos pequeños tienen una masa pequeña y, por lo tanto, se desvían mucho de ser esféricos.
  El asteroide 25143 Itokawa visitado recientemente y el cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko (ambos mostrados a continuación) ilustran perfectamente este punto. Estos no son en absoluto esféricos. Una mejor descripción es una papa Russet grumosa. La naturaleza no esférica de los campos de gravedad de estos pequeños objetos significa que la órbita de un cuerpo que gira alrededor de estos pequeños cuerpos no será estable. Para una cuenta marcada de este efecto, lea el artículo Bizarre Lunar Orbits de nasa.gov.

^{25143 Itokawa, crédito de imagen JAXA, vía Wikipedia commons}

^{Cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, crédito de imagen ESA/Rosetta/MPS para el equipo OSIRIS MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM, vía nasa.gov}

¿Por qué el polvo cósmico no orbita rocas que son muchas veces más pesadas que los granos de polvo? Si el polvo sigue siendo demasiado pesado, ¿qué pasa con las moléculas, los átomos o cualquier otra partícula?

Partículas extremadamente pequeñas son expulsadas del sistema solar gracias a la presión de la radiación solar . Partículas ligeramente más grandes (pero aún muy pequeñas) giran en espiral hacia el interior del Sol gracias al efecto Poynting-Robertson . Las partículas ligeramente más grandes, hasta el tamaño de una roca pequeña, entrarán o saldrán en espiral gracias al efecto Yarkovsky . Una vez que el Sol se encendió hace 4.600 millones de años, la radiación solar y el viento solar han estado limpiando el sistema solar de pequeños pedazos de materia. Continuamente se crean nuevas y diminutas piezas de basura gracias en gran parte a las colisiones en el cinturón de asteroides. Vemos el polvo en espiral hacia adentro que resulta de estas colisiones como la luz zodiacal .

La diferencia de masa debería ser millones de millones de veces; ¿No es suficiente para orbitar? La Luna tiene el 1% de la masa de la Tierra, pero no vemos rocas de 1 kg orbitando alrededor de las de 100 kg.

Si aún no lo ha hecho, lea el artículo mencionado anteriormente sobre Bizarre Lunar Orbits . Lo que sucedió con PFS-1 y PFS-2 es realmente extraño.

Entiende eso y estarás bien encaminado para comprender por qué los supercúmulos pueden tener múltiples grupos de galaxias "orbitándolos", los grupos de galaxias pueden tener múltiples galaxias "orbitándolas", las galaxias pueden tener múltiples estrellas orbitando, las estrellas pueden tener planetas orbitando. , y los planetas pueden tener lunas en órbita, pero las lunas no pueden tener satélites en órbita. Los planetas y asteroides es donde termina la jerarquía.