¿Qué pasaría si la Tierra y la Luna giraran una alrededor de la otra como Plutón y Caronte?

Lo hacen , pero debido a que la proporción de masas es muy diferente, parece que no lo harían, ya que la luna parece girar alrededor (del centro de) la Tierra.

La relación entre las masas de la Tierra y la Luna es$\frac{M_{Earth}}{M_{Moon}} = 81.3$mientras que para Plutón y Caronte la misma proporción es$\frac{M_{Pluto}}{M_{Charon}} = 8.09$.

Debido a que la proporción de Plutón y Caronte es relativamente pequeña, el centro del sistema, el baricentro, alrededor del cual orbitan los dos cuerpos, está en algún lugar de una línea trazada entre los centros de masa de los dos cuerpos celestes. Pero para la Tierra y la Luna, debido a que la Tierra es proporcionalmente mucho más pesada, el baricentro del sistema no llega fuera de la Tierra, sino que está a unos 4.500 kilómetros del centro de la Tierra (vea también la foto a continuación):

En los casos en que uno de los dos objetos es considerablemente más masivo que el otro (y relativamente cerca), el baricentro normalmente se ubicará dentro del objeto más masivo. En lugar de parecer que orbita un centro de masa común con el cuerpo más pequeño, el más grande simplemente se verá "bamboleándose" ligeramente. Este es el caso del sistema Tierra-Luna, donde el baricentro se encuentra en promedio a 4.671 km del centro de la Tierra , dentro del radio del planeta de 6.378 km. Fuente: Wikipedia - Barycenter

El principal efecto de este sistema co-rotacional es que la Tierra parece "tambalearse" en su órbita, como se menciona en la cita de Wikipedia anterior.

@JeppeStigNielsen hace un buen comentario sobre las diferencias en el bloqueo de mareas en los comentarios a continuación. En el sistema Tierra-Luna, solo la Luna está bloqueada por mareas (lo que hace que veamos solo una cara de ella, por lo que solo aproximadamente la mitad, desde la Tierra), mientras que en Plutón-Caronte ambos cuerpos están bloqueados por mareas. La Tierra no está bloqueada por las mareas debido a la relación de masa más alta entre ella y la Luna, pero la relación de masa más baja del sistema Plutón-Caronte sí lo está, ya que Caronte, de menor masa, ha cambiado lentamente la rotación de Plutón para que coincida con su movimiento orbital.

en baricentros

La pareja Plutón-Caronte no es cualitativamente diferente a la pareja Tierra-Luna con respecto a las órbitas. Como se señaló en otras respuestas, en ambos casos, los dos cuerpos giran uno alrededor del otro, es decir, se describen mejor como orbitando alrededor de su baricentro.

En términos más físicos, el referencial centrado en el baricentro del sistema Tierra-Luna es "más galileano" que el referencial centrado en el centro geométrico de la Tierra: si haces medidas de alta precisión de sistemas físicos en la Tierra, verás algunos " jitter" que muestra que la Tierra no es realmente galileana. La mayor parte se debe a la rotación de la Tierra (la fluctuación se demuestra de manera más famosa por el péndulo de Foucault) pero incluso si tiene en cuenta la rotación, aún obtiene algunas perturbaciones residuales provenientes de la revolución de la Tierra alrededor del baricentro Tierra-Luna. (Y si arreglas estos, aún obtienes algunos debido a la revolución de la Tierra alrededor del Sol, en realidad, la revolución de la Tierra alrededor del baricentro del sistema solar, y luego algunos debido a la rotación de la Galaxia, y así sucesivamente , pero son cada vez más difíciles de detectar.)

Sobre las mareas

Cuando dos cuerpos redondos se orbitan entre sí, tienden a entrar en "bloqueo de marea": ​​su velocidad de rotación individual se sincronizará con la revolución, de modo que, en fin , los dos cuerpos siempre mantienen el mismo hemisferio uno hacia el otro. Plutón y Caronte están en ese paso. La Luna también está bloqueada por mareas con la Tierra: siempre vemos el mismo hemisferio (de hecho, vemos un poco más de la mitad de la Luna, porque se tambalea un poco). La Tierra no está bloqueada por mareas... todavía. Pero finalmente lo será.

De hecho, la Tierra y la Luna ejercen fuerzas de marea entre sí. Esto se explica más fácilmente considerando la velocidad orbital: cuando un satélite muy pequeño orbita alrededor de un planeta grande, debe ir a una velocidad que depende de la altitud del satélite: cuanto más lejos está el satélite, más lento va (por ejemplo, satélites de órbita baja zoom a unos 8 km/s, mientras que la Luna va a un ritmo pausado de 1 km/s más o menos). Pero la Luna es bastante voluminosa: su radio es un poco más de 1700 km. Esto significa que si el centro de la Luna va a la velocidad adecuada para su órbita, las rocas en el lado opuesto de la Luna están 1700 km más lejos de la Tierra y, por lo tanto, son un poco demasiado rápidas para esa órbita, por lo que quieren irse. . De manera similar, las rocas en el lado cercano de la luna están 1700 km más cerca de la Tierra y, por lo tanto, van demasiado despacio: tienden a "caer" hacia la Tierra.

El fenómeno es simétrico: la Tierra también experimenta fuerzas de marea de la Luna. De hecho, tanto la Tierra como la Luna experimentan fuerzas de marea de la pareja gravitatoria Tierra-Luna. Esto engendra mareas, donde el agua se mueve en respuesta a las fuerzas; las rocas no lo hacen porque son rocas, es decir, no son muy fluidas en condiciones normales; les gustaría moverse, pero son demasiado rígidas para hacerlo.

Las fuerzas de marea se oponen de alguna manera a que la Tierra gire más rápido que los 27 días para una revolución Tierra-Luna, y la energía de rotación se disipa lentamente: parte de ella se inyecta en el acoplamiento gravitatorio Tierra-Luna, que los separa de entre sí (se ha medido gracias a los reflectores de las sondas espaciales y las misiones Apolo: la Luna nos huye a un ritmo de unos 38 mm al año); el resto se pierde en la fricción del agua en movimiento, por lo que finalmente se convierte en calor irradiado al espacio.

En pocas palabras: la rotación de la Tierra se está desacelerando. Por ejemplo, un día habría durado unas 22 horas en la época de los dinosaurios (los grandes, no los pájaros). La desaceleración se conoce en los círculos de cronometraje como ΔT .

Sin embargo...

Incluso cuando la Tierra se bloquee por mareas con la Luna, todavía habrá mareas (al menos, si todavía hay agua líquida en ese momento, lo cual no es un hecho, ya que se prevé que la producción de energía del Sol disminuya drásticamente en 5 mil millones de años). desde ahora). De hecho, la pareja Sol-Tierra también produce fuerzas de marea. Las fuerzas de marea de la Tierra y la Luna son aproximadamente dos veces más fuertes, por lo que las mareas inducidas por la Luna son más grandes, pero en una situación de bloqueo de marea, aún deberíamos presenciar mareas inducidas por el Sol, pero en una escala más pequeña.

(Sin la Luna, la Tierra finalmente se bloquearía por mareas con el Sol y una rotación de 365 días, usando la duración actual de un día, por supuesto. No tengo del todo claro qué debería ser del sistema Sol-Tierra-Luna en a muy largo plazo; pero parece que esta sigue siendo una investigación ampliamente abierta, sobre todo porque hay otros planetas en la mezcla, lo que lleva a una situación muy compleja).

Respuesta de TLDr:

Ambas respuestas son muy buenas. Hay algunos detalles más a considerar si queremos ver todos los "qué pasaría si" en este escenario divertido pero loco.

Ya mencionado, la proporción de tamaño es de 8 a 1, no de 81 a 1, por lo que, para empezar, Caronte como la Luna sería mucho más grande en el cielo. La Luna, con aproximadamente 10 veces la masa, calculando una densidad ligeramente mayor debido a una compactación menor, aún sería 2,1 veces más grande, asumiendo la misma distancia, lo que la haría 4 veces más brillante en el cielo nocturno. Una luna llena sería bastante impresionante. Quizás (apenas) lo suficientemente brillante como para leer si fuera un libro de texto grande. (Algunas personas afirman poder leer a la luz de la luna ahora, la mayoría de las personas no pueden, pero 4 veces más brillante, una luna llena podría ser lo suficientemente brillante.

Los eclipses solares se volverían más frecuentes y durarían aproximadamente el doble de tiempo y se podría pensar que la Tierra sería un poco más fría debido a que la Luna bloquea parte de la luz solar, pero la Luna, lo crea o no, irradia más calor sobre la Tierra de lo que bloquea porque la La luna iluminada que está frente a nosotros tiene casi 400 grados F en su punto máximo durante el día y no es difícil ver que una superficie a esa temperatura irradia algo de calor. No mucho, pero algo. Una pregunta sobre eso aquí, por lo que un poco más de 4 veces la energía (ignorando las pérdidas del eclipse solar), aproximadamente 1/2,500 del calor del sol, podría equivaler a 1/10 de grado en la noche durante la luna llena. No mucho, ciertamente, pero medible para cualquier persona con instrumentos lo suficientemente sensibles. El brillo y el tamaño de la Luna obviamente serían más notables que aproximadamente 1/10 de 1 grado de temperatura (C no F).

Una luna de esa masa ralentizaría la rotación de la Tierra significativamente más rápido, como ya se mencionó, pero tenemos que pensar un poco en esta. Cuando se formó la Luna, estaba mucho más cerca de la Tierra, entre 3 y 5 veces el radio de la Tierra. Fuente. Eso está fuera de Hill Sphere, y la formación de la Luna hizo que la Tierra girara muy rápidamente, por lo que los efectos (tierra que gira rápidamente, mareas lunares muy poderosas) aún estarían allí, pero las mareas lunares serían 10 veces mayores, por lo que estamos buscando en las mareas al nivel de un terremoto cuando la luna, 10 veces la masa, estaba a 3-5 del radio de la tierra. La Luna, debido a que durante la formación no tendría mucho momento angular, se establecería rápidamente en una rotación bloqueada por mareas alrededor de la Tierra. El efecto de las mareas en la Tierra, siendo 10 veces mayor, causaría (aproximadamente) 10 veces el abultamiento de las mareas en la Tierra, empujaría a la Luna lejos de la Tierra unas 10 veces más rápido, pero, al mismo tiempo, el arrastre de las mareas se ralentizaría. la Tierra, sería 10 veces más grande también (supongo que corresponde a unas 10 veces más rápido).

Entonces, básicamente, la Luna y la Tierra seguirían el sistema en el que se encuentran ahora, pero avanzaría aproximadamente 10 veces más rápido con una Luna con 10 veces la masa. La estimación (aquí) es que le tomará alrededor de 50 mil millones de años a la Luna frenar a la Tierra lo suficiente como para entrar en bloqueo de marea, así que divida eso por 10, estaríamos muy cerca de un bloqueo de marea hoy. La Tierra rotaría muy lentamente. La luna también (probablemente) estaría un poco más lejos de la Tierra y probablemente tendría una órbita más tambaleante debido a las perturbaciones solares, y tal vez escaparía por completo. Esta es una parte matemática complicada que preferiría no intentar (con la masa actual de la Luna, el Sol se convertirá en gigante roja mucho antes de que la Luna escape o la Tierra se bloquee por marea, pero con una Luna 10 veces más masiva, eso ' Probablemente ya no sea el caso y la Luna se haya ido o la Luna esté más distante, tenga una órbita más alargada y la Tierra esté en o cerca del bloqueo de marea. Si la Luna escapa, tendríamos un objeto de enorme tamaño cerca de la órbita terrestre que más tarde podría chocar contra nosotros o pasar junto a la Tierra y mover nuestra órbita; cualquier efecto y simplemente el efecto de no tener luna, sería enorme.

Discusión sobre el escape de la Luna/Tierra vs bloqueo de mareas aquí

Si asumimos un bloqueo completo de las mareas, 29,5 días (sinódico, no sidreal) y una luna un poco más alejada, entonces podríamos estar viendo entre 30 y tal vez 40 días para 1 rotación de la tierra, eso es 20 días de sol, 20 días de noche. Eso causaría estragos absolutos en los sistemas climáticos y las estaciones. El día a la noche tendría un efecto mayor que el verano frente al invierno, y los días de verano serían abrasadores, aunque algunas regiones podrían estar bien debido a la lluvia. La evolución probablemente podría adaptarse a eso, pero no me parece divertido. La mayor distancia podría hacer que la Luna sea solo 3 veces más brillante en el cielo nocturno en lugar de 4. Sin embargo, sigue siendo bastante brillante. Todavía obtendrías 6 meses de sol y 6 meses de noche en los polos, pero para la mayor parte de la tierra, esto sería un cambio radical teniendo días y noches tan largos.

Otros efectos posibles, Oblicuidad (sin luna, quizás mayor, un conductor de la edad de hielo más grande), consulte aquí . Además, si la Tierra todavía tuviera la Luna pero la Luna estuviera en una órbita más alargada, todavía tendríamos mareas a medida que la Luna se moviera hacia adentro y hacia afuera en apogeo y perogeo. ver foto

Fuente

En resumen, si bien es posible que no lo pensemos mucho, una luna de diferente tamaño cambiaría bastante. Una luna más pequeña se alejaría de la Tierra más lentamente y la Tierra podría tener una segunda luna tal vez por captura, si la luna fuera más pequeña, también podríamos tener glaciaciones más agresivas y cambios climáticos debido a una mayor variación de oblicuidad y, suponiendo que el impacto gigante aún ocurra de manera similar pero con una cantidad menor de escombros (lo que no tiene sentido, pero pretendamos), entonces una luna más pequeña no habría ralentizado tanto la rotación de la Tierra y la Tierra podría estar girando bastante un poco más rápido, 10 o 15 horas al día en lugar de 24. Los efectos serían bastante significativos.