¿Podría un "planeta viviente" cambiar su trayectoria solo cambiando su forma?

Question

En la novela de Stanislaw Lem Solaris el planeta es capaz de corregir su trayectoria por algún medio no especificado. Suponiendo que su momento y momento angular se conservan (no expulsa ni absorbe masa), ¿sería esto posible (en la mecánica newtoniana) y cómo? Si no, ¿se puede demostrar? La suposición es que el planeta orbita alrededor de una estrella (o tal vez un sistema binario de estrellas).

Intuitivamente esto me parece posible. Por ejemplo, las fuerzas de marea provocan que un planeta pierda su energía de rotación, por lo que parece posible que al alterar su forma, un cuerpo pueda modificar al menos su velocidad de rotación.

Mis ideas son las siguientes: Supongamos que tenemos una varilla ideal que consiste en dos puntos de masa conectados. La varilla gira y orbita alrededor de una masa central. Cuando uno de los puntos se mueve hacia el cuerpo central, extendemos la varilla, acercándola al centro y aumentando la fuerza gravitacional total que actúa sobre la varilla. Cuando uno de los puntos se aleja del centro, encogemos la varilla de nuevo, reduciendo la fuerza gravitacional combinada. Todavía no he realizado ninguna simulación, pero parece que este principio podría funcionar.

Actualización: Un escenario aún más complejo (conservando momento y momento angular) sería si el planeta expulsara un trozo de materia y lo absorbiera de nuevo después de algún tiempo.

Answer 1

Si se permite la gravedad no newtoniana (es decir, la relatividad general), entonces un cuerpo extendido puede "nadar" a través del espacio-tiempo usando deformaciones cíclicas. Consulta el artículo de 2003 "Nadando en el espacio-tiempo: Movimiento por cambios cíclicos en la forma del cuerpo" (Ciencia, vol. 299, p. 1865) y el artículo de 2007 "Efectos de cuerpo extendido en espacios-tiempos cosmológicos" (Gravedad Clásica y Cuántica, vol. 24, p. 5161).

Incluso en la gravedad newtoniana, parece ser posible. El segundo artículo citado anteriormente menciona "Propulsión orbital sin reacción mediante despliegue de tensores" (Acta Astronautica, v. 26, p. 307 (1992).) Desafortunadamente, el artículo tiene restricción de pago y no puedo acceder al texto completo; pero aquí tienes el resumen:

Un satélite en órbita puede propulsarse al retraer y desplegar una longitud del tensor, con un gasto de energía pero sin uso de masa de reacción a bordo, como mostraron Landis y Hrach en un artículo anterior. La órbita puede elevarse, descender, o cambiar la posición orbital, mediante la reacción contra el gradiente gravitacional. Energía se añade o se elimina de la órbita bombeando la longitud del tensor de la misma manera que se bombea un columpio. Se discuten ejemplos de propulsión con tensor en órbita sin uso de masa de reacción, incluyendo: (1) usar la extensión del tensor para reposicionar un satélite en órbita sin gasto de combustible extendiendo una masa en el extremo de un tensor; (2) utilizar un tensor para el bombeo de excentricidad para agregar energía a la órbita para impulsar y transferir orbitalmente; y (3) modulación de longitud de un tensor giratorio para transferir momento angular entre la órbita y el giro del tensor, permitiendo así cambios en el momento angular orbital.

Si alguien desea ver el artículo y editar esta respuesta en consecuencia con un resumen más detallado, siéntase libre de hacerlo. Como señaló Jules en los comentarios, el "artículo anterior" mencionado en el resumen parece ser este, que está disponible de forma gratuita.

La idea de "nadar en el espacio-tiempo" también se discutió en StackExchange aquí y aquí.

Answer 2

La conservación del momento angular nos dice que en un sistema aislado, el total del momento angular permanece constante tanto en magnitud como en dirección.

La clave aquí es que la cantidad conservada es el momento angular total: momento angular de giro + orbital.

Un ejemplo:

Para un planeta, el momento angular se distribuye entre el giro del planeta y su revolución en su órbita, y a menudo se intercambian por varios mecanismos. La conservación del momento angular en el sistema Tierra-Luna resulta en la transferencia de momento angular de la Tierra a la Luna, debido al torque de marea que la Luna ejerce sobre la Tierra. Esto a su vez resulta en la desaceleración de la tasa de rotación de la Tierra, aproximadamente 65.7 nanosegundos por día, y en un aumento gradual del radio de la órbita de la Luna, aproximadamente 3.82 centímetros por año.

(fuente: Wikipedia)

Supongamos que el sol de Solaris no gira. Si el eje de giro de Solaris tiene dirección $\vec n$, el momento angular total será

$$\vec L_\text{total} = \vec L_\text{giro} + \vec L_\text{orbital} = I \omega \ \vec n + M r^2 \Omega \ \vec k $$

Donde $\omega$ es la velocidad angular de giro, $\Omega$ es la velocidad angular orbital y $r$ es la distancia entre Solaris y su sol.

Entonces, si Solaris es capaz de cambiar su momento de inercia $I$ al cambiar su distribución de masa, vemos que es posible que ajuste su trayectoria, porque si $I$ cambia, entonces $\omega, \Omega$ y $r$ tendrán que cambiar para conservar el momento angular total.

Answer 3

Un mecanismo diferente: en una escala de tiempo larga, al aumentar la superficie expuesta al sol (aplanando el planeta), la presión de radiación aumentaría, impulsando a una órbita más alta. Cambiar el albedo sería un medio más efectivo para el mismo fin pero también podría permitir una fuerza asimétrica. De cualquier manera, sería más simple en un planeta con bloqueo de marea. Esto ha sido propuesto para desviar asteroides. Extrapolando a partir de la figura 3 en ese enlace, una superficie perfectamente reflectante del mismo tamaño que el asteroide/planeta necesitaría milenios para suficiente desviación y evitar que un asteroide/cometa impacte a la Tierra. No parece haber un límite en la escala de tiempo en la pregunta, por lo que asumiendo escalas de tiempo geológicas, esto podría ser lo que estás buscando.

Answer 4

Gracias a la respuesta de Michael Seifert, encontré un artículo al que hizo referencia: Satellite Relocation by Tether Deployment por G. A. Landis y F. J. Hrach, 1989.

Al extender un cable radialmente, un satélite puede aumentar o disminuir su velocidad orbital (imágenes a continuación copiadas del artículo):

Entonces, el principio se puede utilizar para bombear una órbita excéntrica:

De manera similar, un planeta como Solaris podría entonces asumir una forma elíptica, prolongándose en una dirección radial, para cambiar su trayectoria.

Answer 5

Siempre puedes usar el proceso de aceleración/deceleración tidal. En la naturaleza, este proceso puede ser muy lento, como en el sistema Tierra/Luna. Sin embargo, siempre puedes acelerarlo, aumentando artificialmente la frecuencia de las oscilaciones de forma. En un sistema natural, la aceleración tidal se detendrá cuando los dos objetos estén en bloqueo tidal (ambos objetos siempre mirándose el uno al otro), pero esto se puede superar. El bloqueo tidal detiene la aceleración porque los objetos ya no cambian su momento de inercia. Sin embargo, si sigues cambiando la forma artificialmente, el proceso puede continuar indefinidamente (pero será más rápido a medida que los cuerpos estén más cerca o más lento a medida que se alejen). El producto final, sin embargo, será un gran cambio en la velocidad de rotación del cuerpo, que será el resultado de estos cambios en la distancia.