Si pudiéramos enviar un orbitador al sistema Plutón-Caronte, ¿podríamos ponerlo en una órbita estable?

El baricentro de Plutón y Caronte está en el espacio entre los dos cuerpos, cerca de Plutón. Es el punto central de la animación de abajo. La imagen está aproximadamente a escala. Tenga en cuenta que los dos cuerpos están mutuamente bloqueados por mareas, con los mismos lados siempre uno frente al otro.

animación de las órbitas de Plutón y Caronte

Caronte está a 17 536 km del baricentro del sistema y a 19 571 km del centro de Plutón. Su gravedad superficial es de 0,288 m/s 2 . Tiene un radio medio de 606 km.

Plutón tiene una gravedad superficial de 0,62 m/s 2 y un radio medio de 1.187 km. La atmósfera de Plutón , aunque muy tenue, también es un problema con el tiempo. En la superficie es 1 Pa, 0,001% de la presión de la atmósfera de la Tierra (ahora mismo, mientras está cerca del sol). Por encima de la capa inferior de la atmósfera, su altura de escala se estima en 50 a 60 km.

¿Sería difícil poner un orbitador en una órbita estable alrededor de Plutón? ¿O alrededor de Caronte? ¿Qué tipo de mantenimiento de la estación podría estar involucrado?

Mi primer pensamiento fueron los puntos de Lagrange. Según esta página: ( astronomy.stackexchange.com/questions/8192/… ), los puntos L4/L5 son inestables, aunque mi lectura de la fuente citada, con un poco de cálculo de hoja de cálculo, sugiere los puntos L1/L2/L3 tendría un "tiempo de plegado electrónico" ( en.wikipedia.org/wiki/E-folding ) de menos de una semana, y que L1 se encontraría aproximadamente a un tercio del camino desde Caronte hasta Plutón.
Poner una sonda en órbita alrededor de Plutón se vuelve más complicado debido a la atmósfera. Es tenue, pero se extiende muy por encima del planeta (mucho más allá de la atmósfera de la Tierra, IIRC).
Me pregunto si sería factible poner un satélite de Plutón en una órbita con resonancia orbital relativa a Caronte para que sus influencias desestabilizadoras se cancelen. Podría ser que la órbita estuviera fuera de la órbita de Caronte, y también sería esencialmente una órbita alrededor del baricentro del sistema dual.
No entiendo por qué la distancia a Plutón, escrita en la película, no disminuye durante los meses de acercamiento.
@LocalFluff: parece que en realidad es un video en bucle de una órbita. Estoy extrañamente decepcionado.
@LocalFluff: ahora cambié la película por una animación gif.
¡El punto alrededor del cual ambos orbitan NO está en ese círculo más pequeño! Está en el centro de esta animación.
@BrianLynch cierto, cierto, cierto... lo siento, no estaba pensando. Déjame arreglar eso.
¿Contaría una órbita muy grande alrededor de ambos, por ejemplo, 1E+05 a 1E+06 km, o está buscando uno u otro? ¿1E+06 años contaría como estable?
@uhoh Hm. Las misiones orbitales son para la observación a largo plazo de un planeta. Históricamente, se colocan en una órbita baja en aras de una observación más detallada. Así que diría que tiene que estar en órbita alrededor de Plutón, no de todo el grupo de objetos. (O alrededor de Charon, si alguien quiere ver eso). La velocidad de datos desde esa distancia es baja, y sabemos por sondas anteriores que a menudo duran mucho más que sus misiones planificadas. Así que digamos 50 años.
Me parece probable que uno pueda encontrar órbitas retrógradas inclinadas que no se sincronicen con la periodicidad entre Plutón y Caronte y, por lo tanto, no acumulen ninguna perturbación sustancial más allá del consumo económico de combustible de mantenimiento de la estación. Y órbitas que son muy excéntricas y se acercan de vez en cuando. Plutón tiene varias lunas antiguas, por lo que obviamente existen ventanas orbitales estables allí.
@LocalFluff pero no orbitan solo a Plutón, las lunas orbitan los dos cuerpos centrales juntos. Imagen del sistema por Hubble
@kimholder La Luna tiene una órbita bastante excéntrica alrededor de la Tierra, junto con la excentricidad moderada de la Tierra alrededor del Sol, lo que provoca inestabilidades en las órbitas lunares "convencionales". Y la propia Luna tiene una distribución de masa interna bastante asimétrica que perturba las órbitas cercanas. Esto crea un tipo de condiciones similares a las del sistema Plutón/Caronte, y ayuda su menor gravedad y distancia del Sol. Las órbitas pasan a través de un paisaje gravitacional variable, no alrededor de un solo punto. Diablos, alguien por ahí ciertamente ha calculado una órbita estable plausible de Plutón solo por diversión.
¿No funcionaría una órbita exactamente opuesta a Caronte?

Respuestas (2)

Intentemos ver qué sucede si colocamos el satélite en una órbita con una altitud de aproximadamente 320 km sobre Plutón, de modo que estemos por encima de la mayor parte de la atmósfera y obtengamos un buen número redondo para el radio orbital de 1500 km. Normalicemos también la aceleración gravitacional de Plutón en el satélite a "1".

Luego, cuando está más cerca de Caronte, el satélite está a 18000 km de él, lo que hace que su influencia gravitatoria 1 1180 de Plutón, arrastrándose en dirección opuesta. Cuando está más lejos de Caronte, su influencia gravitacional se reduce a 1 1610 , arrastrándose en la misma dirección que Plutón. Entonces tenemos una influencia gravitacional total en el rango de 0.99915 a 1.00062.

Eso no dice mucho sobre la estabilidad, pero:

Comparemos eso con un sistema con el que estamos más familiarizados. ¿Qué radio orbital tiene un satélite en el sistema Tierra-Luna con un rango igualmente grande? Eso pasa a ser alrededor de 87000 km. Eso es aproximadamente el doble de GEO. Dado el impacto muy bajo de la Luna en los satélites GEO, esperaría que fuera bastante estable. Lo mismo ocurre con la órbita baja de Plutón.

¿Existe todavía alguna explicación de por qué todas las pequeñas lunas de Plutón giran caóticamente? ¿Es por el "baile tambaleante"? No parece que se esperara, aunque las masas y las distancias eran bien conocidas poco antes del sobrevuelo. Lo que sea que esté causando la rotación caótica también podría causar órbitas inestables. Pero ahí están desde miles de millones de años.
¿Por qué no descartar la atmósfera para la primera suposición, hacer que la órbita satelital sea circular, usar coordenadas conocidas y luego observar el potencial de generación de mareas de Caronte? Solo algunos pensamientos... No tengo tiempo para trabajar en eso, ¿sabes?
@jarvis Por supuesto, podría hacer eso, pero transferir el problema al sistema Tierra-Luna es mucho más fácil.
Por supuesto, solo estaba pensando en otras formas de manejar este problema ... :)
@LocalFluff, buena pregunta, aunque más adecuada para astronomía que aquí.

Totalmente por accidente, me acabo de encontrar con el documento de acceso abierto de 2014 Una región estable peculiar alrededor de Plutón con el resumen a continuación.

El propósito del documento era ver si las cosas ya podrían estar en algunas órbitas de larga duración alrededor del sistema, cosas que New Horizons podría pasar cerca y fotografiar, o tal vez incluso colisionar.

No sé si New Horizons miró o no, pero si quisieras poner algo allí en el sistema que permanecería estable por un tiempo, esta órbita de tres cuerpos durará bastante tiempo. Con ese fin, acabo de preguntar: ¿New Horizons buscó "veleros" en la región de veleros del sistema Plutón-Caronte? ¿Lo atravesó o lo evitó?

Resumen:

Giuliatti Winter et al. encontró varias regiones estables para una muestra de partículas de prueba ubicadas entre las órbitas de Plutón y Caronte. Una región estable peculiar en el espacio de los elementos orbitales iniciales se ubica en a = (0.5d, 0.7d) y e = (0.2, 0.9), donde a y e son el semieje inicial y la excentricidad de las partículas, respectivamente. y d es la distancia Plutón-Caronte. Esta peculiar región (en lo sucesivo denominada región del velero) está asociada con una familia de órbitas periódicas derivadas del problema de los tres cuerpos restringidos, circulares y planos (Plutón-Caronte-partícula).En este trabajo estudiamos el origen de esta región estable analizando la evolución de dicha familia de órbitas periódicas. Mostramos que no están en resonancia con Caronte. El período de la órbita periódica varía a lo largo de la familia, decreciendo con el aumento de la constante de Jacobi. También exploramos la extensión de la región del velero adoptando diferentes valores iniciales de la inclinación orbital (I) y el argumento del pericentro (ω) de las partículas. La región del velero está presente para I = [0°, 90°] y para dos intervalos de ω, ω = [−10°, 10°] y (160°, 200°). Se puede derivar una estimación aproximada del tamaño de los cuerpos hipotéticos ubicados en la región del velero calculando el amortiguamiento de las mareas en sus excentricidades. Si despreciamos la evolución orbital de Plutón y Caronte,

y

Comentarios finales

[...] La relevancia de la región del velero para la nave espacial New Horizons se aborda en Giuliatti Winter et al. (2014). En este trabajo, verificamos que la trayectoria nominal de New Horizons pasa cerca de la región de las trayectorias de la región del velero y también identificamos la ubicación de las regiones más densas, que corresponde a la ubicación más probable de partículas de la región del velero.

>Figura 3. El conjunto de órbitas periódicas, en el marco sinódico, para diferentes valores de CJ presentado en la Fig. 2. El baricentro está ubicado en 0, el origen del sistema de coordenadas. Los puntos negros grandes y pequeños indican la ubicación de Plutón y Caronte, respectivamente.

El conjunto de órbitas periódicas, en el marco sinódico, para diferentes valores de CJ presentado en la Fig. 2. El baricentro está ubicado en 0, el origen del sistema de coordenadas. Los puntos negros grandes y pequeños indican la ubicación de Plutón y Caronte, respectivamente.

>Figura 7. Una muestra de órbitas periódicas (en negro) y cuasi-periódicas (en amarillo), en el marco sinódico... Plutón está representado en la posición (−0.1, 0) y Caronte en (0.8, 0).

Figura 7. Una muestra de órbitas periódicas (en negro) y cuasi-periódicas (en amarillo), en el marco sinódico, para (a) CJ = 2.786 y 2.936, (b) CJ = 3.016 y 3.056, y (c) CJ = 3.116 y 3.224. Plutón está representado en la posición (−0.1, 0) y Caronte en (0.8, 0). Las órbitas cuasi periódicas presentadas aquí son aquellas con la mayor amplitud de oscilación que corresponden a las islas más grandes en la superficie de sección de Poincaré (Fig. 2).

Si pudiéramos enviar un orbitador al sistema Plutón-Caronte, ¿podríamos ponerlo en una órbita estable?
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