¿Cómo empuja la gravedad de un planeta a los cuerpos más pequeños que de otro modo se cruzarían con su órbita?

Siento la necesidad de corregir algunos problemas que se mencionaron en las otras respuestas.

Sí, la gravedad es una fuerza de atracción únicamente.
Pero debido a su relativa debilidad, los objetos en el espacio pueden alcanzar grandes velocidades antes de tener la oportunidad de colisionar con un solo objetivo. En física hablaríamos de exceso de momento angular, del que es difícil deshacerse en el espacio, pero trataré de evitar esa terminología aquí.
Lo que significa 'gran velocidad' puede expresarse en términos de comparar la velocidad vectorial de un cuerpo$\vec v$, con respecto a un objetivo potencial, y la velocidad de escape escalar de ese objetivo potencial$v_{\rm esc}$.

Si$|\vec v|>v_{\rm esc}$, y las órbitas se cruzan, entonces uno puede pensar que nuestro cuerpo experimenta solo una ligera desviación de su trayectoria inicial debido a la gravedad del objetivo, y la probabilidad de colisión viene dada por la sección transversal geométrica del objetivo, que siempre es pequeña, incluso para estrellas. De hecho, este es el caso normal en el sistema solar, a diferencia de lo que presentaban otras respuestas incorrectas.

Si$|\vec v|\approx v_{\rm esc}$, y los objetos son casi coorbitales, entonces es difícil cruzar las órbitas y el cuerpo terminará principalmente en una órbita de herradura alrededor del objetivo o será expulsado, vea también una discusión detallada de este caso en el fantástico "Solar Dinámica de sistemas" de Murray & Dermott .

Si$|\vec v|<v_{\rm esc}$, y las órbitas se cruzan, entonces el resultado habitual es que el objeto se captura en una órbita excéntrica alrededor del objetivo como un satélite. Nuevamente, una colisión es extremadamente improbable, porque el rango de velocidades en el espacio es enorme. Para golpear exactamente el objeto de destino y no perderlo, la velocidad debe ajustarse con precisión a un rango de valores muy pequeño.

Sintetizando todo esto, podemos decir que
la intersección de órbitas no implica colisiones. En la abrumadora mayoría de los casos, la limpieza de la órbita funciona a través de oscilaciones y no mediante la acumulación en el planeta de limpieza.

Además, la imagen popular del crecimiento del planeta a través de colisiones es que el protoplaneta joven es bombardeado mucho por asteroides y cometas y, por lo tanto, crece. Esta imagen parece ser correcta en términos generales (p. ej., Raymond et al. (2006) , Alibert et al. (2018) ), pero con la advertencia que se indicó anteriormente: este proceso es extremadamente ineficiente y la mayoría de los asteroides/cometas perderán al joven protoplaneta. . Esto es lo que dificulta la formación de planetas con grandes impactadores, y en los tiempos modernos se consideran alternativas con arrastre asistido por gas de sólidos mucho más pequeños (por ejemplo, Morbidelli et al. (2015) ) para construir los planetas terrestres en el sistema solar.

Hay dos formas en que un cuerpo masivo en órbita, como un planeta, puede despejar un objeto más pequeño de la vecindad de su órbita. Uno, obviamente, es chocando con él. La otra forma, más común, se llama efecto de tirachinas gravitacional .*

Este es un truco que muchas sondas espaciales han utilizado para ganar (o perder) velocidad extra y así alejarse (o acercarse) más al sol, pero también es algo que ocurre de forma totalmente natural.

Básicamente, cuando el objeto más pequeño pasa cerca del planeta, la atracción gravitacional del planeta hará que la trayectoria del objeto pequeño se curve.** Visto desde el marco de referencia del planeta, el objeto pequeño seguirá una trayectoria de sobrevuelo (aproximadamente ) hiperbólica , llegando y saliendo a la misma velocidad (respecto al planeta) pero en diferente dirección.

Sin embargo, el planeta también está en órbita alrededor del sol y, por lo tanto, se mueve en relación con él. Si la nueva dirección en la que el objeto pequeño sale de la vecindad del planeta después del encuentro apunta en la misma dirección en que el planeta se mueve en su órbita, el objeto terminará moviéndose en la misma dirección que el planeta pero más rápido, y por lo tanto ser arrojado hacia afuera desde el sol.

(Por el contrario, si el objeto sale de la vecindad del planeta en la dirección opuesta a la forma en que el planeta se mueve en su órbita en relación con el sol, entonces las velocidades opuestas se cancelarán (parcialmente) y el objeto terminará perdiendo velocidad y, por lo tanto, cayendo hacia adentro hacia el sol, posiblemente incluso hacia el sol, si logra perder suficiente velocidad).

Para ilustrar esto visualmente (una imagen a menudo vale más que mil palabras), aquí hay un par de capturas de pantalla del Programa espacial Kerbal . (Porque, ¿por qué diablos no? El modelo de mecánica orbital de KSP está un poco simplificado en comparación con la vida real, básicamente sigue la aproximación cónica parcheada , pero es suficiente para modelar tirachinas gravitacionales).

La primera captura de pantalla a continuación muestra un pequeño asteroide, misteriosamente etiquetado como "Objeto desconocido" en el mapa, que fortuitamente (o, más bien, a través del uso desvergonzado del menú de trucos de KSP) ha sido capturado en una órbita temporal alrededor del planeta Kerbin, la Tierra de KSP. análogo (que se muestra como la esfera azul oscuro en el centro exacto del mapa). La razón por la cual la órbita actual del asteroide (línea azul-verde) es solo temporal *** es que está bastante cerca de la órbita de la más grande de las dos lunas de Kerbin, llamada creativamente "The Mun", lo que pronto resulta en un pase cercano:

A medida que el asteroide pasa por Mun (línea naranja), termina siendo lanzado (más o menos) en la misma dirección en que Mun orbita alrededor de Kerbin, ganando un montón de velocidad adicional en relación con Kerbin y, de hecho, siendo expulsado de completamente el sistema Kerbin (línea morada).

(En la vida real, el impulso adicional ganado por el asteroide se equilibraría con la correspondiente pérdida de impulso del Mun, lo que lo ralentizaría muy, muy levemente. Sin embargo, dado que Mun es mucho más grande que el asteroide, la desaceleración es tan insignificante que KSP ni siquiera intenta modelarlo).

Mientras tanto, aquí está el mismo pase cercano visto desde el punto de vista de Mun:

Como puede ver, en este marco de referencia, la trayectoria de sobrevuelo parece bastante simétrica: el asteroide cae hacia Mun (pero no tan directamente como para chocar contra él), acelera a medida que la gravedad de Mun lo acerca y luego comienza volviendo a reducir la velocidad después de pasar el punto de aproximación más cercano (marcado como " periapsis " en el mapa). Pero el resultado final es que el asteroide deja la vecindad de Mun en una dirección diferente, y ese cambio de dirección es suficiente para colocarlo en una órbita completamente diferente alrededor de Kerbin, en este caso, una que termina sacándolo completamente de la vecindad de Kerbin. . Así, Mun una vez más ha limpiado su órbita de estos molestos intrusos.

^{*) También hay una especie de tercera vía, donde el planeta y el objeto más pequeño terminan en una resonancia orbital que transfiere gradualmente el momento del planeta al objeto más pequeño sin que se acerquen demasiado. Puede pensar en esa resonancia como una serie de tirachinas gravitacionales muy leves, cada uno de los cuales empuja la órbita del objeto más pequeño más y más en la misma dirección.}

^{**) Obviamente, también sucede lo contrario, pero si el objeto más pequeño es mucho más pequeño que el planeta, entonces su efecto sobre el movimiento del planeta será insignificante.}

^{***) En realidad, es bastante natural que un asteroide capturado termine en una órbita tan inestable: dado que la mecánica orbital es simétrica en el tiempo, tanto en KSP como en la vida real, si rastreamos la órbita del asteroide hacia atrás en el tiempo presumiblemente encontrar otro encuentro anterior con el Mun que habría causado que fuera capturado en su órbita temporal actual en primer lugar. En la vida real, la Tierra de vez en cuando también captura estos satélites temporales , pero sus órbitas tampoco son básicamente estables, ya que las mismas interacciones gravitatorias que permitieron que fueran capturados también, por simetría temporal, eventualmente les permitirán escapar de nuevo. . (Por supuesto, en este caso, en realidad era un vago y simplemente engañé al asteroide en esa órbita, en lugar de esperar a que uno fuera capturado "naturalmente").}

La gravedad no empuja, solo atrae. Lo que significa limpieza en este caso es que un cuerpo planetario atrae hacia él objetos más pequeños. Esto terminará con uno de los siguientes efectos:

1. El objeto impactará en la superficie del objeto más grande o se quemará en su atmósfera, suponiendo que tenga una. Así es como muchos planetas ganan masa más temprano en su desarrollo, es decir, reciben muchos golpes durante mucho tiempo hasta que la órbita se limpia de escombros, luego las cosas se calman.
2. El objeto más pequeño entrará en la órbita del objeto más grande y se convertirá en una luna. esto es poco frecuente
3. El objeto pequeño será lanzado a una órbita radicalmente diferente por la gravedad del objeto más grande, lo que lo despejará del camino del objeto más grande en el futuro.

Podemos asumir como si intercambiaran energía cinética al azar. Es decir, en el caso general, dependiendo de las circunstancias, ambos cuerpos pueden ganar y perder energía cinética.

Sin embargo, para el cuerpo más pequeño, ganar o perder la misma energía cinética significa un cambio mayor en su velocidad. Las órbitas dependen de las velocidades y no de la energía (recuerda, ambas están en el campo gravitatorio de un cuerpo mucho más grande que las dos).

El resultado es que la órbita del cuerpo más pequeño se verá más afectada por el mismo cambio, por lo que se alejará de la órbita del cuerpo más grande y no al revés.

En pocas palabras, el planeta (P) no aleja a un intruso (i) así:

Más bien atrae al intruso así:

Todos los intrusos que comparten la órbita del planeta generalmente viajarán paralelos al planeta antes del encuentro. Por lo tanto, suponiendo que el intruso no se dirija perfectamente hacia el centro de masa del planeta (por lo que de todos modos impactaría contra el planeta), la atracción de la gravedad del planeta agregará un impulso que apunta en una dirección distinta a la de la órbita original (además a la cantidad de movimiento en la dirección orbital original, pero esto es irrelevante).

No importa de qué manera el intruso pase el planeta (o el planeta lo pase), terminará con un impulso adicional que es perpendicular a la órbita del planeta, sacándolo de esa órbita.