¿Se puede orbitar un planeta sin atmósfera a altitudes extremadamente bajas?

Sí, pero.

En primer lugar, las órbitas de 400 km de la ISS ya son extremadamente bajas, en comparación con el radio de 6400 km de la Tierra. Consulte https://what-if.xkcd.com/58/ para ver imágenes de órbitas. Entonces, si reformula en términos de radios orbitales, se convierte en "Podemos orbitar a 6800 km. ¿Podemos orbitar a 6401,75 km?" Y la respuesta es ciertamente "sí"

Sin embargo cuidado, porque aunque dijiste que la montaña más alta era de 1km, el planeta es esférico. Un planeta en rotación no será esférico, porque una forma de equilibrio será un esferoide achatado. El radio de la Tierra es 20 km mayor en el ecuador que en el polo. Si estás orbitando un planeta como la Tierra, pero sin atmósfera, y tu altitud es de 750 m sobre el Monte Everest, puede que te lleves una sorpresa cuando pases por encima de los Andes, ya que el Monte Chimborazo tiene un pico que está a más de 2000 m más lejos del centro de la Tierra.

Pero digamos que estás teniendo cuidado con eso. Entonces podrás orbitar. Sin embargo, hay muy poco margen de error. Los planetas no tienen un campo gravitatorio perfectamente uniforme. Las montañas, las plumas del manto y las concentraciones de masa distorsionan la órbita. Y en el caso de la Tierra, su órbita también se verá perturbada por las mareas lunares y solares. Ahora, si la gravedad de una pluma del manto solo tiene que cambiar su velocidad en una cantidad muy pequeña para bajar su órbita en 750 m (que es solo aproximadamente 1 parte en 8000) y estrellar su nave espacial.

Entonces, aunque en principio son posibles órbitas bajas arbitrarias, no planearías orbitar un planeta con solo unos pocos metros de margen.

Lo que esto también significa es que te sorprendería mucho encontrar una luna con una órbita tan baja. Tal luna probablemente no permanecería en órbita por mucho tiempo.

Un ejemplo de un objeto de masa planetaria o planemo que casi no tiene aire es la Luna.

Tiene una atmósfera, pero muy, muy delgada.

La Luna tiene una atmósfera tan tenue que parece casi el vacío, con una masa total de menos de 10 toneladas (9,8 toneladas largas; 11 toneladas cortas).[141] La presión superficial de esta pequeña masa es de alrededor de 3 × 10−15 atm (0,3 nPa); varía con el día lunar. Sus fuentes incluyen la desgasificación y la pulverización catódica, producto del bombardeo del suelo lunar por los iones del viento solar.[15][142]

https://en.wikipedia.org/wiki/Moon#Atmósfera

Entonces, la atmósfera de la Luna es casi cero, y una nave espacial puede orbitar la Luna justo por encima del pico más alto en su camino sin una resistencia significativa del aire. La resistencia del aire probablemente tardará millones de años en afectar la órbita de un objeto en órbita alrededor de la Luna.

Pero ningún objeto en el espacio es perfectamente esférico. Todos los objetos espaciales giran más rápido o más lento, por lo que todos los objetos espaciales son al menos ligeramente achatados, más anchos en sus ecuadores de rotación. Entonces, si una nave espacial orbita un mundo en una órbita no ecuatorial, estará al menos un poco más cerca del suelo sobre el ecuador que sobre latitudes más altas. Entonces, la atracción gravitacional del planeta aumentará y disminuirá ligeramente en el transcurso de una órbita.

Si la nave espacial está en órbita alrededor del ecuador de un planemo puede permanecer a la misma distancia de la superficie, si su órbita es perfectamente circular. Y, por supuesto, una órbita perfectamente circular es imposible; todas las órbitas son al menos ligeramente elípticas y, por lo tanto, cambian sus distancias desde el centro del objeto al menos ligeramente.

Y por supuesto el Sol y la Luna producen mareas en la Tierra que suben y bajan los niveles del mar, e incluso los niveles de la tierra firme. Entonces, incluso si un satélite pasa sobre una ubicación en la superficie de la Tierra a la misma distancia del centro de la Tierra cada vez, la distancia a la superficie será ligeramente diferente cada vez. Y las fuerzas de marea del Sol y la Luna también atraerán al satélite y cambiarán su órbita.

Y, por supuesto, la Luna también experimenta mareas del Sol y la Tierra, siendo las mareas terrestres muchas veces más fuertes en la Luna que las mareas lunares en la Tierra. Entonces, la superficie lunar subirá y bajará con las mareas, y las mareas del Sol y la Tierra arrastrarán lentamente a un satélite lunar fuera de su órbita original.

Y diferentes tipos de materiales tienden a tener diferentes densidades, y diferentes tipos de materiales tienden a concentrarse en diferentes regiones de un objeto en el espacio. Así, un satélite de un objeto pasará sobre regiones de mayor densidad, llamadas concentraciones de masa o mascons, y será atraído más fuertemente por ellas, y pasará sobre regiones de menor densidad y será menos atraído por ellas. Eso cambiará su órbita.

Y al principio del programa espacial se descubrió que la Luna tiene masones lunares muy fuertes que distorsionarán la órbita de una nave espacial cada vez más en cada órbita. Está bien orbitar la Luna unas cuantas veces durante unos días. pero si una nave espacial tiene que orbitar la luna durante meses, años o décadas, los masscons perturbarán la órbita cada vez más con el tiempo.

Entonces, un satélite lunar tiene que llevar suficiente propulsor para ajustar su órbita de vez en cuando para permanecer en la órbita adecuada hasta que se complete su misión y ahora tiene que permanecer más tiempo en la órbita adecuada.

La Luna es el cuerpo principal más "grumoso" gravitacionalmente conocido en el sistema solar. Sus mascones más grandes pueden hacer que una plomada cuelgue aproximadamente un tercio de grado de la vertical, apuntando hacia el mascon, y aumentar la fuerza de la gravedad en un medio por ciento. 2

Ejemplos típicos de cuencas mascon en la Luna son las cuencas de impacto Imbrium, Serenitatis, Crisium y Orientale, todas las cuales exhiben depresiones topográficas significativas y anomalías gravitacionales positivas. Los ejemplos de cuencas mascon en Marte incluyen las cuencas Argyre, Isidis y Utopia. Las consideraciones teóricas implican que una baja topográfica en equilibrio isostático exhibiría una ligera anomalía gravitatoria negativa. Por lo tanto, las anomalías gravitatorias positivas asociadas con estas cuencas de impacto indican que debe existir alguna forma de anomalía de densidad positiva dentro de la corteza o el manto superior que actualmente sostiene la litosfera. Una posibilidad es que estas anomalías se deban a lavas basálticas mare densas, que podrían alcanzar hasta 6 kilómetros de espesor para la Luna. Si bien estas lavas ciertamente contribuyen a las anomalías gravitatorias observadas, también se requiere el levantamiento de la interfaz corteza-manto para dar cuenta de su magnitud. De hecho, algunas cuencas mascon en la Luna no parecen estar asociadas con ningún signo de actividad volcánica. Las consideraciones teóricas en cualquier caso indican que todos los mascones lunares son superisostáticos (es decir, sostenidos por encima de sus posiciones isostáticas). La enorme extensión de vulcanismo basáltico mare asociado con Oceanus Procellarum no posee una anomalía gravitacional positiva. Las consideraciones teóricas en cualquier caso indican que todos los mascones lunares son superisostáticos (es decir, sostenidos por encima de sus posiciones isostáticas). La enorme extensión de vulcanismo basáltico mare asociado con Oceanus Procellarum no posee una anomalía gravitacional positiva. Las consideraciones teóricas en cualquier caso indican que todos los mascones lunares son superisostáticos (es decir, sostenidos por encima de sus posiciones isostáticas). La enorme extensión de vulcanismo basáltico mare asociado con Oceanus Procellarum no posee una anomalía gravitacional positiva.

https://en.wikipedia.org/wiki/Mass_concentration_(astronomy)#Lunar_mascons

Los mascons lunares alteran la gravedad local por encima y alrededor de ellos lo suficiente como para que las órbitas bajas y no corregidas de los satélites alrededor de la Luna sean inestables en una escala de tiempo de meses o años. Las pequeñas perturbaciones en las órbitas se acumulan y eventualmente distorsionan la órbita lo suficiente como para que el satélite impacte contra la superficie.

Debido a sus mascons, la Luna tiene solo cuatro zonas de inclinación de "órbita congelada" donde un satélite lunar puede permanecer en una órbita baja indefinidamente. Se lanzaron subsatélites lunares en dos de las últimas tres misiones de aterrizaje lunar tripuladas de Apolo en 1971 y 1972; Se esperaba que el subsatélite PFS-2 lanzado por el Apolo 16 permaneciera en órbita durante un año y medio, pero duró solo 35 días antes de estrellarse contra la superficie lunar. Fue solo en 2001 que se mapearon los mascons y se descubrieron las órbitas congeladas. 2

El orbitador Luna-10 fue el primer objeto artificial en orbitar la Luna y devolvió datos de seguimiento que indicaban que el campo gravitatorio lunar causó perturbaciones más grandes de lo esperado, presumiblemente debido a la "aspereza" del campo gravitatorio lunar.[5] Los mascons lunares fueron descubiertos por Paul M. Muller y William L. Sjogren del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA en 1968[6] a partir de un nuevo método analítico aplicado a los datos de navegación de alta precisión de la nave espacial no tripulada pre-Apollo Lunar Orbiter. . Este descubrimiento observó la correlación constante 1:1 entre anomalías de gravedad positiva muy grandes y cuencas circulares deprimidas en la Luna. Este hecho impone límites clave a los modelos que intentan seguir la historia del desarrollo geológico de la Luna y explicar las estructuras internas lunares actuales.

https://en.wikipedia.org/wiki/Mass_concentration_(astronomy)#Effect_of_lunar_mascons_on_satellite_orbits

Entonces, si alguien quiere que un satélite lunar tenga una órbita muy baja pero de larga duración, debe elegir una de las cuatro "órbitas congeladas" que no pasan por encima de ningún mascon. Presumiblemente, deberían elegir la órbita con el terreno más bajo medido desde el centro de la Luna. Con la "atmósfera" extremadamente delgada de la Luna, una órbita que pasa solo ligeramente sobre el punto más alto del suelo en la órbita podría durar miles o millones de años.

Por supuesto, hay mascons en muchos otros mundos del sistema solar. La Luna tiene los masones más fuertes de cualquier objeto importante en el sistema solar. Pero los mascons en otros objetos importantes del sistema solar tendrán que calcularse cuando se coloque un objeto en la órbita más baja posible a su alrededor.

Hay miles y millones de objetos menores del sistema solar, lunas pequeñas, asteroides, cometas, etc. que no son lo suficientemente masivos como para llevar su materia a una forma esferoidal. Por lo tanto, tienen formas algo irregulares. Y eso debería hacer que elegir la órbita adecuada para orbitar uno a la menor altitud posible sea bastante difícil.

Cuanto más irregular sea un cuerpo menor del sistema solar, más se parecerá a tener potentes masones para perturbar la órbita de cualquier satélite. Y se cree que muchos cuerpos menores del sistema solar se formaron por cuerpos más pequeños que se unieron suavemente, dejando grandes vacíos interiores entre las piezas. Un objeto pequeño con huecos en el interior parece tener el mismo efecto sobre las saellitas que los masscons muy fuertes.

Entonces, un objeto sin aire con una composición muy homogénea y mascones muy pequeños, y hecho de material muy ligero y débil con una topografía muy baja, flotando en el espacio interestelar o intergaláctico, parecería ser el objeto ideal para tener un satélite muy bajo.

La existencia de una atmósfera simplemente significa que necesitaría suministrar potencia de impulso para mantener la velocidad orbital. Tal vez mucho más de lo que, digamos, genera la ISS para mantener su posición :-).

Como señalan los comentarios, la falta de uniformidad de la superficie y/o el campo gravitacional (quizás debido a las variaciones de densidad en la corteza del planeta, por ejemplo) significa que hay una altitud mínima necesaria para lograr un camino orbital que nunca se cruza con ninguna montaña, y para tener un extraño lo suficientemente pequeño . Parámetros atractores (caóticos) de que las trayectorias de las órbitas futuras permanezcan en una zona segura.

Un ejemplo de ello son las sondas lunares de las misiones Apolo. Una sonda orbitaba extremadamente cerca de la superficie antes de estrellarse. Ver ( https://jacanswers.com/how-low-have-satellites-orbited-the-moon/ )

De hecho se puede. Hay dos problemas principales para hacer esto: en primer lugar, el terreno puede interponerse en el camino y, en segundo lugar, el campo de gravedad de dicho cuerpo puede no ser tan uniforme como cabría esperar.

Hay una historia corta de Clarke sobre el primer problema y su resolución. El segundo problema está bien demostrado por las concentraciones de masa o "mascons" debajo de la superficie lunar que dan lugar a desviaciones significativas de un modelo de fuerza central única .