Tengo una luna similar a la Tierra, bloqueada por mareas a un gigante gaseoso que es similar a Saturno pero sin anillos. En el lado que mira al gigante gaseoso, ¿cuánto más brillantes parecerían las noches cuando el gigante gaseoso está completamente iluminado en comparación con una noche de luna llena en la Tierra?
Las distancias relativas son tales que el gigante gaseoso parece 7 veces más grande en el cielo que la luna de la Tierra.
Suponga un albedo, una magnitud absoluta y una composición atmosférica aproximadamente similares a Saturno.
Supongamos un sol más o menos similar al de la Tierra.
Asuma una perspectiva de pie donde se pueda ver todo el gigante gaseoso en el cielo.
Asumir los ojos humanos, es decir, capaz de adaptarse a la oscuridad, pero no tanto como para que la noche parezca igual al día.
Si se requieren otras cifras, suponga que son similares a Saturno o pregunte.
PD: Me imagino a este gigante gaseoso como un color rojo anaranjado oxidado, más rojo que Júpiter pero menos que Marte. Si eso arruina las cosas, hágamelo saber, pero proceda con estadísticas similares a las de Saturno.
El albedo de la Luna es 0,11, el albedo de Saturno es 0,342.
Saturno refleja aproximadamente 3 veces más luz que la Luna por unidad de superficie. Dado que aparece en el cielo 7 veces más grande que la Luna, en general se verá unas 21 veces más brillante que la Luna, si orbita la estrella a la misma distancia que la Tierra.
Si en cambio orbita a la distancia de Saturno, bajamos al cálculo el valor de la constante solar en Saturno , que es el 1,1% de la de la Tierra, lo que significa que Saturno recibe esa cantidad de luz con respecto a la Tierra, y obtenemos que la El planeta se vería aproximadamente 1/4 tan brillante como la Tierra y la Luna.
Aquí hay un desafío de marco.
¿Es posible que un exoplaneta gigante gaseoso parezca tener 7 veces el diámetro aparente de la Luna, visto desde la Tierra, en el cielo nocturno de una exoluna gigante y habitable de ese gigante gaseoso?
¿El diámetro aparente de un gigante gaseoso tendría que parecer menos de 7 veces el de la Luna desde la Tierra?
¿O el diámetro aparente del planeta gigante gaseoso tendría que ser más de 7 veces mayor que el de la Luna vista desde la Tierra?
Respuesta corta:
Tal vez sea posible que una exoluna habitable orbite un exoplaneta similar a Saturno a una distancia en la que el exoplaneta tenga un diámetro angular 7 veces mayor que el de la Luna. Pero podría ser necesario hacer una exoluna habitable mucho más cerca del exoplaneta y, por lo tanto, donde el exoplaneta tendrá una magnitud aparente mucho mayor.
Respuesta larga en seis partes:
Primera parte: La distancia a la que una exoluna habitable tendría que orbitar Saturno para que Saturno tuviera un diámetro angular siete veces mayor que el de la Luna vista desde la Tierra.
Debido a que la órbita de la Luna es elíptica y, por lo tanto, se acerca y se aleja de la Tierra, su diámetro aparente o angular varía de 29,3 a 34,1 minutos de arco. Dado que hay 60 minutos de arco en un grado de arco, el diámetro angular de la Luna varía entre un poco menos de medio grado y un poco más de medio grado.
Entonces, un objeto astronómico que tiene 7 veces el diámetro angular de la luna tendría un diámetro angular de aproximadamente 3,5 grados. Dado que un círculo completo tiene una circunferencia de 360 grados, un objeto con un diámetro angular de 3,5 grados recorrería unas 102,857 veces dentro de la circunferencia de un círculo.
Dado que la circunferencia de un círculo es 2 Pi por el radio, o alrededor de 6,28318 veces el radio, la circunferencia dividida por 6,28318 da el radio en el que una luna tendría que orbitar para que el planeta pareciera tener 3,5 grados de ancho. Ese radio es 16,3702 veces el diámetro del planeta, o 32,7404 veces el radio del planeta.
Segunda parte: ¿Estaría una exoluna que orbita un exoplaneta a tal distancia dentro de la zona habitable alrededor de ese exoplaneta, donde una exoluna podría ser potencialmente habitable?
Como señalé en mi respuesta a la pregunta:
En "Protección magnética de exolunas más allá del borde habitable circunplanetario", Heller & Zuluaga calculan que una exoluna alrededor de un planeta del tamaño de Neptuno estaría demasiado cerca y sufriría un efecto invernadero desbocado o estaría fuera de la protección del campo magnético planetario. Calculan que, si otras cosas son favorables, una gran exoluna que orbite un planeta del tamaño de Júpiter a una distancia de 5 a 20 veces el radio del planeta podría evitar un efecto invernadero descontrolado y al mismo tiempo estar protegida por el campo magnético del planeta.
Si una exoluna de masa planetaria orbita su exoplaneta a una distancia de 5 a 20 radios planetarios, o de 2,5 a 10 diámetros planetarios, la circunferencia de la órbita de la exoluna alrededor del exoplaneta debería ser de 15,707 a 62,8318 veces el diámetro del planeta. Dado que hay 360 grados en un círculo completo, el exoplaneta debería tener un diámetro angular de entre 5,729 y 22,919 grados de arco visto desde la exoluna, que es aproximadamente 1,63 a 6,5 veces el diámetro angular especificado en su pregunta.
Tercera parte: ¿Podría una exoluna orbitando lo suficientemente lejos como para que el planeta tuviera un diámetro angular siete veces mayor que el de la Luna vista desde la Tierra, podría generar un campo magnético lo suficientemente fuerte como para mantener la exoluna habitable?
Por supuesto, una exoluna habitable podría orbitar fuera del campo magnético protector del exoplaneta si tuviera un fuerte campo magnético propio para desviar las partículas cargadas del viento estelar de su estrella. Tal exoluna tendría que ser lo suficientemente grande y rotar lo suficientemente rápido para generar un fuerte campo magnético.
Pero, ¿rotaría una exoluna lo suficientemente rápido como para generar un fuerte campo magnético si estuviera bloqueada por mareas en su exoplaneta?
Una exoluna con un radio orbital de 16,3702 diámetros planetarios o 32,7404 radios planetarios alrededor de un eoxplaneta similar a Saturno, con un radio ecuatorial similar a Saturno de 60.268 kilómetros, tendría que orbitar a una distancia de 1.973.198,427 kilómetros.
Iapetus, que orbita Saturno a una distancia de 3.560.820 kilómetros, está bloqueado por mareas con Saturno y tiene un período de rotación de 79,3215 días terrestres. Titán, que orbita alrededor de Saturno a una distancia de 1.221.930 kilómetros, está bloqueado por mareas con Saturno y tiene un período de rotación de 15,9454 días terrestres.
La mayoría de los cuerpos del sistema solar con campos magnéticos giran bastante rápido. La Tierra gira a 1,0 días terrestres, Urano al revés a 0,72 días terrestres, Neptuno a 0,67 días terrestres, Saturno a 0,44 días terrestres y Júpiter a 0,41 días terrestres.
Ganímedes es la única luna con campo magnético y tiene un período de rotación de 7.154 días terrestres.
Mercurio también tiene un campo magnético y un período de rotación de 58,65 días terrestres. Pero el campo magnético de Mercurio es solo un 1,1 por ciento tan fuerte como el campo magnético de la Tierra, por lo que podría no ser lo suficientemente fuerte como para proteger un mundo contra el viento estelar.
Cuarta parte También se necesita una rotación rápida para un ciclo diurno y nocturno lo suficientemente corto.
También observo que si el período de rotación de una exoluna es demasiado largo, tenderá a tener temperaturas extremas durante el día y la luz. Es posible que los planetas fotosintéticos mueran durante las noches sin luz, lo que haría que los que crecieran durante el día fueran muy pequeños porque el día no sería lo suficientemente largo para que crecieran mucho antes de morir.
Stephen H. Dole, en Habitable Planets for Man , 1964, página 60, estimó que la duración máxima posible del día para un planeta habitable para los humanos sería de cuatro días terrestres o 96 horas.
https://www.rand.org/content/dam/rand/pubs/commercial_books/2007/RAND_CB179-1.pdf[2]
Es difícil decir qué extremos de la tasa de rotación son compatibles con la habitabilidad. Estos extremos, sin embargo, podrían estimarse en, digamos, 96 horas (4 días terrestres) por revolución en el extremo inferior de la escala y de 2 a 3 horas en el extremo superior, o a velocidades angulares donde la forma se vuelve inestable debido a la alta tasa de rotación.
Las palabras de Dole hacen difícil creer que un mundo pueda ser habitable con un ciclo día/noche mucho más largo que 5 o 6 días terrestres (120 o 144 horas).
La luna Rea orbita Saturno a una distancia de 527.108 kilómetros y tiene un período de rotación de 4,51821 días terrestres, mientras que la siguiente luna exterior, Titán, orbita Saturno a una distancia de 1.221.930 kilómetros y tiene un período de rotación de 15,9454 días terrestres. Y una luna tendría que orbitar Saturno (o un exoplaneta idéntico a Saturno) a una distancia de unos 1.973.198,427 kilómetros para que el planeta tuviera un diámetro angular de unos 3,5 grados visto desde esa luna.
Por lo tanto, una exoluna que orbite un exoplaneta similar a Saturno a una distancia necesaria para que el exoplaneta tenga un diámetro angular de 3,5 grados debería, si la marea está bloqueada con el planeta, tener un día demasiado largo para ser habitable para los humanos y formas de vida similares.
Quinta parte: un exoplaneta más masivo podría haber bloqueado una exoluna en la primera distancia que rotó lo suficientemente rápido.
Pero un exoplaneta mucho más masivo podría tener una luna bloqueada por mareas orbitando a una distancia suficiente para que el exoplaneta tenga un diámetro angular de 3,5 grados, mientras que la luna bloqueada por mareas orbita lo suficientemente rápido como para tener un día lo suficientemente corto como para ser habitable.
Compara Júpiter y Saturno.
Saturno tiene un radio ecuatorial de 60.268 kilómetros, por lo que una luna tendría que orbitar a una distancia de 1.973.198,427 kilómetros para que Saturno tuviera un diámetro angular de 3,5 grados de arco.
Júpiter tiene un radio ecuatorial de 71.492 kilómetros, por lo que una luna tendría que orbitar a una distancia de 2.340.676,677 kilómetros para que Júpiter tuviera un diámetro angular de 3,5 grados de arco.
Dado que el radio y el diámetro de Júpiter son 1,186 veces los de Saturno, el volumen de Júpiter es 1,668 veces el de Saturno. Entonces, si Júpiter tuviera la misma densidad general que Saturno, tendría 1,668 veces la masa de Saturno. Pero la masa de Saturno es 95,159 veces la de la Tierra, mientras que la masa de Júpiter es 317,8 Tierras. Júpiter tiene más de 3,33 veces la masa de Saturno en 1,688 veces el volumen de Saturno, por lo que tiene una densidad general mucho mayor.
Una luna de Júpiter tendría que orbitar a 2.340.676,677 kilómetros para que Júpiter tuviera un diámetro angular de 3,5 grados de arco.
Callisto orbita a Júpiter a una distancia de 1.882.709 kilómetros y tiene un período de rotación de 16.689 días terrestres. La próxima luna que sale de Júpiter, Themisto, orbita a una distancia de 7.405.000 kilómetros y, si está bloqueada por mareas, tiene un período de rotación de 130,18 días terrestres.
Tenga en cuenta que la órbita de Calisto tiene un radio y, por lo tanto, una circunferencia, que es 1,540 veces la de Titán, pero tiene un período orbital y, por lo tanto, un período de rotación, que es solo 1,046 veces la de Titán, porque tiene que moverse más rápido. permanecer en órbita alrededor del planeta más masivo Júpiter.
¿Qué sucede si se agrega más y más masa a un planeta con la masa de Júpiter? el radio, el diámetro y el volumen del planeta aumentarán, pero no tanto como aumenta la masa. El aumento de masa y gravedad comprimirá cada vez más el material del planeta. Eventualmente, el diámetro y el volumen del planeta dejarán de expandirse a medida que aumenta la masa, y eventualmente dejarán de aumentar a medida que se agregue más masa, y luego el planeta podría disminuir en volumen con la masa agregada.
He leído que, a excepción de los gigantes gaseosos calientes del tipo Júpiter, que están muy cerca de sus estrellas y son muy calientes y se expanden con el calor, ningún planeta puede ser mucho más grande que Júpiter, sin importar cuán masivos sean.
Observo que los objetos con hasta 13 veces la masa de Júpiter son planetas gigantes, y los objetos con hasta 75 u 80 veces la masa de Júpiter son enanas marrones, y los objetos con más de 75 u 80 veces la masa de Júpiter son de baja masa. estrellas, diminutas enanas rojas.
Los planetas gigantes como Júpiter y Saturno, y las enanas marrones, tienen sus volúmenes sostenidos por la presión de los electrones degenerados en sus núcleos.
El material dentro de un objeto degenerado como Saturno es más blando que en los planetas más pequeños; a diferencia de la roca sólida de la Tierra, el material en el centro de Saturno cede cuando se aprieta. Esto significa que a medida que aumenta la masa de un objeto degenerado, lo que aumenta la presión requerida para contrarrestar la gravedad propia del objeto, la densidad también aumenta. La consecuencia es que el radio puede disminuir a medida que aumenta la masa. Para cuerpos fríos de la misma composición, el radio es el inverso de la raíz cúbica de la masa. Para cuerpos con algo de calor interno (y generalmente queda algo de calor interno de la creación del cuerpo), el radio disminuye más lentamente que para los cuerpos fríos a medida que aumenta la masa. Este calor residual hace que Júpiter sea un poco más grande que Saturno, y hace que la mayoría de las enanas marrones conocidas sean del tamaño de Júpiter, en lugar de mucho más pequeñas. La tendencia de un radio más pequeño con una masa más grande se extiende hasta las enanas degeneradas, que tienen aproximadamente el tamaño de la Tierra. La relación entre el radio de Sirio B (la enana blanca en el sistema binario de Sirio) y el radio de Saturno es la relación entre sus masas y la potencia de 0,28, que está razonablemente cerca de la potencia de 1/3 esperada a partir de argumentos simples que ignoran las diferencias en composición y la estructura de las regiones externas no degeneradas de cada cuerpo. Los planetas gaseosos gigantes están por lo tanto fundamentalmente ligados a los enanos degenerados a través de la degeneración electrónica. La relación entre el radio de Sirio B (la enana blanca en el sistema binario de Sirio) y el radio de Saturno es la relación entre sus masas y la potencia de 0,28, que está razonablemente cerca de la potencia de 1/3 esperada a partir de argumentos simples que ignoran las diferencias en composición y la estructura de las regiones externas no degeneradas de cada cuerpo. Los planetas gaseosos gigantes están por lo tanto fundamentalmente ligados a los enanos degenerados a través de la degeneración electrónica. La relación entre el radio de Sirio B (la enana blanca en el sistema binario de Sirio) y el radio de Saturno es la relación entre sus masas y la potencia de 0,28, que está razonablemente cerca de la potencia de 1/3 esperada a partir de argumentos simples que ignoran las diferencias en composición y la estructura de las regiones externas no degeneradas de cada cuerpo. Los planetas gaseosos gigantes están por lo tanto fundamentalmente ligados a los enanos degenerados a través de la degeneración electrónica.
https://astrophysicsspectator.org/topics/overview/SizeStarsPlanets.html[3]
Entonces, si su exoluna orbita un planeta o una enana marrón con muchas veces la masa de Júpiter, la distancia a la que la exoluna tiene que orbitar para que la primaria tenga un diámetro angular de 3,5 grados no aumentará ni disminuirá mucho, mientras que la velocidad orbital necesaria para orbitar el objeto a esa distancia aumentará considerablemente a medida que aumente la masa de la primaria, lo que reducirá en gran medida el tiempo que tarda la exoluna en orbitar la primaria.
Por lo tanto, podría ser posible que una exoluna bloqueada por mareas tenga un período orbital y, por lo tanto, un período de rotación, lo suficientemente corto para la vida mientras orbita su primaria a una distancia en la que la primaria tiene un diámetro angular de 3,5 grados, si la primaria es masiva. suficiente planeta o enana marrón.
Sexta parte: ¿Puede una exoluna habitable orbitar un exoplaneta a la distancia correcta y no estar bloqueada por mareas y, por lo tanto, tener un día lo suficientemente corto?
¿Puede una exoluna habitable orbitar un planeta de la masa de Saturno a una distancia tal que el planeta tenga un diámetro angular de aproximadamente 3,5 grados, y no estar bloqueada por mareas, pero tener una velocidad de rotación mucho más rápida que su período orbital, una velocidad de rotación lo suficientemente rápida para el exomoon para ser habitable?
Según recuerdo, Rene Heller y Roy Barnes dicen algo sobre el tema en su artículo "Exomoon Habitabiity Constrained by Illumination and Tidal Warming".
https://faculty.washington.edu/rkb9/publications/hb13.pdf[4]
En la sección 2, Habitabilidad de las exolunas, página 20, escriben:
Dado que el período de rotación del satélite también depende de su excentricidad orbital alrededor del planeta y dado que el arrastre gravitatorio de otras lunas o de una estrella anfitriona cercana podría impulsar la excentricidad del satélite (Cassidy et al., 2009; Porter y Grundy, 2011), las exolunas podrían rotar incluso más rápido que su período orbital.
Ellos citan:
Cassidy, TA, Méndez, R., Arras, P., Johnson, RE y Skrutskie, MF (2009) Satélites masivos de exoplanetas gigantes gaseosos cercanos. Astrophis J 704:1341–1348.
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/704/2/1341/meta[5]
Y:
Porter, SB y Grundy, WM (2011) Evolución posterior a la captura de exolunas potencialmente habitables. Astrofia J 736:L14.
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2041-8205/736/1/L14/meta[6]
No estoy muy seguro de cómo Heller y Barnes deducen que las exolunas podrían rotar más rápido que sus períodos orbitales a partir de esos artículos.
De todos modos, Titán orbita a Saturno a una distancia de 1.221.930 kilómetros y un período orbital de 15,9454 días terrestres, y Japeto orbita a Saturno a una distancia de 3.560.820 kilómetros y un período orbital de 79,3215 días terrestres. Y ambas lunas están bloqueadas por mareas y tienen períodos de rotación iguales a sus períodos orbitales.
Pero Hiperión, que orbita Saturno a una distancia de 1.481.010 kilómetros, un poco más lejos que Titán y mucho más cerca que Hiperión, y con un período de rotación de 21,2766 días, no está bloqueado por mareas. Tiene un período de rotación de unos 13 días terrestres, sólo unos 0,61 de su período obital.
Entonces, cuando y si las razones por las que Hyperion no está bloqueada por mareas se entienden completamente, puede ser posible calcular qué masas y órbitas de otras lunas en el sistema podrían ser necesarias para que una gran exoluna que orbita un exoplaneta similar a Saturno tenga un período de rotación. lo suficientemente corto para ser habitable.
Personalmente, simplemente movería la exoluna habitable más cerca del planeta gigante y haría que el planeta gigante pareciera mucho más grande en su cielo que solo siete veces el diámetro angular de la Luna visto desde la Tierra.
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