¿Por qué hay tantos objetos orbitando perfectamente entre sí? ¿No es infinitamente más probable que dos objetos al azar choquen/se separen?

Question

Si en el espacio libre, lanzo dos objetos uno hacia el otro, pueden perderse mutuamente y separarse (si la velocidad es suficiente y no hay suficiente atracción gravitacional entre ellos), o pueden ser lo suficientemente atraídos entre sí que eventualmente colisionen juntos. Entre estos dos casos hay un conjunto de condiciones (aparentemente) imposiblemente minúsculas que llevarían a los dos objetos a orbitar perfectamente alrededor uno del otro. Como lanzar un bolo y que aterrice boca abajo y perfectamente equilibrado.

Y sin embargo, hay un sinfín de objetos celestiales que orbitan perfectamente entre ellos (como la Luna orbitando la Tierra). ¿Por qué es eso? ¿Estoy subestimando lo fácil/probable que es para dos objetos aleatorios en el espacio lanzados uno hacia el otro comenzar a orbitar (en lugar de separarse/colisionar juntos)? ¿O es solo un caso de que el universo es enorme, y así después de un sinfín de intentos, se esperaría ver un montón de bolos aterrizar boca abajo y perfectamente equilibrados?

Por cierto, aquí hay un diagrama dibujado expertamente que tomó 1000 horas en MS Paint para mostrar las cosas visualmente.

Answer 1

Su intuición de que dos objetos aislados que se acercan entre sí y que no están en una órbita cerrada o bien colisionarán o se separarán nuevamente es substancialmente correcta. Si los objetos no están ya en una órbita cerrada y por lo tanto su velocidad relativa es mayor que su velocidad de escape, entonces no pueden entrar en una órbita a menos que haya un mecanismo para llevarse energía del sistema. Otras respuestas aquí que sugieren lo contrario están equivocadas.

Sin embargo, su imagen intuitiva de planetas y sus satélites volando al azar por el espacio hasta que lleguen a una configuración estable es incorrecta. El proceso real fue un poco más complicado que eso.

Los planetas y sus satélites surgieron en el sistema solar temprano a través de un proceso de acumulación. El joven Sol estaba rodeado por una nube de gas y polvo llamada un disco protoplanetario. Pequeñas partículas de polvo en este disco chocaron entre sí, perdieron energía en forma de calor, y algunas eventualmente se unieron para formar guijarros. Los guijarros chocaron entre sí, perdieron energía en forma de calor, y algunas eventualmente se unieron para formar rocas. Las rocas chocaron entre sí ... y así sucesivamente ... formando eventualmente planetesimales. Y algunos de los planetesimales chocaron entre sí y eventualmente formaron los planetas - pero muchos planetesimales sobraron, y ahora forman los objetos en el cinturón de asteroides, así como muchos más objetos transneptunianos en los confines exteriores del sistema solar.

A medida que se formaba, cada planeta estaba rodeado por un disco circumplanetario. Algunos satélites se formaron a partir del material en este disco; otros satélites eran asteroides que colisionaron con otros objetos orbitando un planeta, perdieron energía, y fueron capturados por la gravedad del planeta. Creemos que nuestra propia Luna tuvo un origen particularmente violento cuando un protoplaneta del tamaño de Marte colisionó con la joven Tierra, eyectando una gran cantidad de escombros a órbita, los cuales más tarde formaron la Luna (esta es la "hipótesis del impacto gigante").

Utilizando telescopios poderosos como Hubble y JWST, ahora podemos observar varias etapas de este proceso de formación planetaria alrededor de estrellas cercanas como HL Tauri.

Answer 2

pueden perderse el uno al otro y alejarse (si la velocidad es suficiente y no hay suficiente atracción gravitacional entre ellos), o pueden estar lo suficientemente atraídos el uno al otro como para finalmente chocar juntos. Entre estos dos casos hay un conjunto de condiciones (aparentemente) imposiblemente pequeño que llevaría a los dos objetos a orbitar perfectamente alrededor el uno del otro

Tu evaluación de la probabilidad está substancialmente equivocada. Para dos objetos que interactúan gravitacionalmente, hay dos cantidades que determinan este comportamiento: energía mecánica y momento angular.

Para que los dos objetos colisionen, el momento angular tiene que ser casi cero. De lo contrario, se perderán el uno al otro. De las tres opciones, esta es la que tiene el conjunto de condiciones muy pequeño.

Si el momento angular es lo suficientemente grande como para que no colisionen, entonces recurrimos a la energía. Si la energía es positiva entonces se alejan. Si la energía es negativa entonces orbitan.

Eso es todo. Orbitar solo requiere energía mecánica negativa y un momento angular no minúsculo. No es un conjunto de requisitos particularmente restrictivo.

Answer 3

En parte se trata de cómo se forman las galaxias (ver otra excelente respuesta sobre eso).

Pero también considera que estás viendo el sesgo del superviviente de 13.8 mil millones de años. Si no estuvieran en una órbita estable, las posibilidades de que estuvieras allí para verlas existir serían muy muy muy bajas.

Estadísticamente, es bastante probable que la Tierra tenga algunos meteoritos capturados que lograron golpear nuestra gravedad justo adecuadamente. Sin embargo, son pequeños trozos de roca de color oscuro, por lo que sería muy poco probable que alguna vez los encontráramos.

Answer 4

chausies preguntó: "¿Por qué hay tantos objetos orbitándose perfectamente unos a otros?"

Además del hecho de que la mayoría de las órbitas no son perfectamente circulares sino más o menos elípticas: si dos objetos vuelan uno junto al otro o chocan entre sí, solo lo hacen por un corto tiempo, mientras que si se orbitan entre sí lo hacen por un largo tiempo, esa es la principal razón de tu observación.

Si miras por un corto tiempo solo verás la luna orbitando la tierra, pero si miras más tiempo verás más de un asteroide volando cerca de la tierra o chocando contra la atmósfera. Si observas los cráteres de la luna notarás que también tiene muchos más objetos chocando contra ella que orbitándola. Júpiter también es un imán metafórico para que los objetos choquen contra él, muchos más de los que tiene lunas.

Si los objetos no se quedan atrapados en el campo gravitatorio de la tierra aún podrían quedar atrapados en el campo del sol o de la galaxia, ya que las velocidades iniciales más altas tienen menores probabilidades la mayoría de los objetos quedan atrapados en algún nivel. Sin embargo, hay suficientes Neutrinos rápidos o material de chorros de agujeros negros con velocidades lo suficientemente altas para escapar incluso del campo de la galaxia.

chausies preguntó: "¿Estoy subestimando lo fácil/probable que es para dos objetos aleatorios en el espacio lanzados uno hacia el otro empezar a orbitar?"

No es como apuntar a una hoja específica de hierba y golpearla a la primera, es más como disparar a todo un prado y golpear alguna hoja de hierba al azar, lo cual no es difícil ya que hay suficientes en el camino.

Answer 5

Y sin embargo hay un sinfín de objetos celestiales que orbitan perfectamente entre sí

Esto es sesgo de supervivencia. Basado en nuestro modelo actual de cómo pensamos que se forman los planetas, hubo muchos cuerpos de órdenes de magnitud más pequeños. ¿Qué les pasó? Chocaron entre sí para formar cuerpos más grandes y chocaron con cuerpos más grandes para formar nuestros planetas.

Algunas lunas pueden haberse formado por separado y luego capturadas, pero muchas probablemente se formaron por cuerpos más pequeños que, a partir de polvo orbitando el planeta, chocaron entre sí y se fusionaron para formar lunas, y algunas como nuestra propia luna se formaron cuando otros objetos lo suficientemente grandes chocaron contra planetas con suficiente fuerza como para expulsar material hacia la órbita para formar la luna.

Y durante todo ese tiempo, ocurrieron muchas más órdenes de magnitud de 'casi colisiones' donde los objetos no chocaron entre sí y no orbitaron entre sí, sino que se perdieron entre sí y continuaron chocando con otros cuerpos.

En realidad, tu caso (C) no es realmente posible, dos cuerpos que no están gravitacionalmente unidos realmente no se unirán en órbitas si se dirigen uno hacia el otro. Digamos que la Tierra y la Luna están estacionarias entre sí a 100 millones de km de distancia en el espacio interestelar y se les dio justo suficiente movimiento lateral para que al pasar el uno al otro no colisionen. Eventualmente, su gravedad combinada los atraería más cerca, pero en el momento en que pasaran tendrían la mayor velocidad relativa, ya que esa gravedad los estaba atrayendo más y más rápido todo el tiempo. Después de pasar, la gravedad comenzaría a disminuir su velocidad, pero solo la misma gravedad que los estaba acercando. Terminarían a 100 millones de km de distancia en la dirección opuesta antes de detenerse entre sí. Cuando enviamos algo a orbitar Marte por ejemplo, necesitamos una quemadura de desaceleración y/o aerofrenado de la atmósfera marciana para disminuir la velocidad.