Warum umkreisen nicht alle Felsen im Weltraum größere Felsen?

Ich möchte David Zaslavskys Punkt Nr. 1 ein wenig erweitern: „Ein zufälliges Staubkorn wird wahrscheinlich nicht mit der richtigen Geschwindigkeit fliegen, um in die Umlaufbahn um einen größeren Felsen (wie einen Asteroiden) eingefangen zu werden.“ Ohne die Hilfe eines dritten Körpers ist es eigentlich unmöglich , dass ein Objekt von einem anderen durch Gravitation in einer Umlaufbahn „eingefangen“ wird: Wenn es sich nicht bereits vorher in einer Umlaufbahn befand, gibt es keine Möglichkeit, eine Umlaufbahn zu beginnen.

Der Grund ist einfach die Energieerhaltung. Wenn sich das Objekt nicht bereits in einer Umlaufbahn befand, bewegte es sich angesichts seiner Entfernung zu schnell, um in einer Umlaufbahn zu sein. (Um es anders herum auszudrücken, es war angesichts seiner Geschwindigkeit zu weit entfernt.) Selbst wenn sich der kleine Kerl in genau die richtige Richtung bewegte, um sich dem großen Kerl zu nähern, wird er nicht eingefangen: er wird sich bewegen auf einem hyperbolischen Pfad ein, nähern Sie sich dem anderen Objekt einmal und fliegen Sie dann wieder weg, einfach weil es zu viel Energie hat, um eingefangen zu werden. Die einzige Möglichkeit, eine Umlaufbahn zu erzeugen, besteht darin, dass ein dritter Körper mit dem System interagiert und zum richtigen Zeitpunkt etwas Energie absaugt.

Das kann passieren, aber wenn die Dichte der herumfliegenden Dinge nicht hoch ist, ist es selten. Und wenn die Dichte hoch ist, werden auch nachfolgende Kollisionen, die die Umlaufbahn stören, häufig sein.

Der Massenunterschied hat praktisch nichts damit zu tun, ob zwei Dinge einander umkreisen können. Sie können zwei Objekte der gleichen Masse im Orbit haben (z. B. Doppelsternsysteme), oder Sie können zwei Objekte mit sehr unterschiedlichen Massen im Orbit haben (die Erde und ein Stück Weltraumschrott) oder irgendetwas dazwischen. Es spielen viele Faktoren eine Rolle, zum Beispiel:

1. Ein zufälliges Staubkorn wird wahrscheinlich nicht mit der richtigen Geschwindigkeit fliegen, um in die Umlaufbahn um einen größeren Felsen (wie einen Asteroiden) eingefangen zu werden.

2. Wenn Staubkörner Asteroiden umkreisen, wird es wahrscheinlich viele von ihnen geben, also werden sie miteinander kollidieren und Energie verlieren, sodass sie ziemlich schnell aus der Umlaufbahn fallen.

3. Planeten sind in der Regel ziemlich isoliert, sodass Dinge sie umkreisen können, ohne von anderen Planeten gestört zu werden. Im Gegensatz dazu findet man kleinere Gesteine ​​wie Asteroiden oft in großen Gruppen, sodass ein Staubkorn nicht nur einen umkreisen könnte – es würde auch erheblich von der Schwerkraft anderer Asteroiden in der Nähe beeinflusst.

An intriguing picture of small solar systems comes to mind.

Dennoch hat Luboš Recht, dass die Einfanggeschwindigkeiten für jedes erkennbare System so niedrig wären, dass die Frage strittig wäre.

Als grobes Beispiel, wenn man die zentripetale Gravitation mit Zentrifugalkräften gleichsetzt, würde ein Teilchen, das eine 100 kg schwere Masse in 100 Metern Entfernung umkreist, eine Geschwindigkeit in der Größenordnung von zehn Mikrometern pro Sekunde benötigen, was kaum beobachtbar wäre: die Umlaufbahn von 628 Metern würde es tun 1,7*10^4 Stunden dauern.

Auf jeden Fall ist es im wirklichen Leben in unserem Raum um die Sonne ein Vielkörperproblem, wie David oben angedeutet hat, so dass statistisches und chaotisches Verhalten in das Problem eindringt und jede kleinräumige Regelmäßigkeit zerstört. Nur im tiefen Weltraum außerhalb des Sonnenfeldes könnte eine solche Umlaufbahn ungestört und von einem geduldigen Beobachter beobachtet werden :).

Der Grund für solch kleine Geschwindigkeiten ist die Schwäche der Gravitationskonstante G. Die Geschwindigkeit einer stabilen Umlaufbahn ist proportional zur Quadratwurzel von G. Die Masse des umkreisenden Teilchens spielt keine Rolle, da sie bei der Gleichsetzung von Zentripetal- und Zentrifugalkräften eliminiert wird.

Der Grund, warum wir keine Staubpartikel sehen, die vergleichsweise winzige Felsen innerhalb des Sonnensystems umkreisen, ist nur, dass der Rest des Sonnensystems stört, weil eine solche Umlaufbahn langsam sein muss:

• Die Anwesenheit anderer massiver Körper stört die Umlaufbahnen von Staubpartikeln.
• die Sonnenstrahlung deorbitiert Teilchen, die kleiner als etwa 1 mm sind .
• Der Sonnenstrahlungsdruck ist eine erhebliche Kraft für Partikel, die kleiner als 1 µm sind, und destabilisiert auch so langsame Umlaufbahnen.
• Es ist einfach sehr schwierig, solche Umlaufbahnen zu beobachten, die (vorübergehend) innerhalb der Grenzen des Sonnensystems existieren, sowohl weil die Systeme winzig sind als auch weil sie langsam sind.

Es gibt keinen Grund, warum solche kleinen "planetaren" Systeme nicht im interstellaren Raum existieren können.

Dies ist eine sehr späte Antwort, aber es wurde noch keine Antwort ausgewählt.

Warum haben nur große Felsen (Planeten) Satelliten und keine kleinen?

Fast 100 Asteroiden haben Satelliten, und einige von ihnen sind ziemlich klein. Beispielsweise hat der Asteroid 54509 YORP eine Masse von nur 1 × 10 ¹⁰ bis 4 × 10 ¹⁰ Kilogramm. Das klingt viel, aber das ist ein Körper mit einem mittleren Radius von nur 120 Metern. Ich habe 54509 YORP erwähnt, weil es eine Bestätigung des YORP-Effekts zu sein scheint. Der Strahlungsdruck ließ den Asteroiden schneller und schneller rotieren, bis er in ein paar Teile zerbrach. Eine weitere vorgeschlagene Quelle für diese Satelliten kleiner Körper sind Kollisionen. Noch ein weiterer ist Gefangennahme, aber das ist ziemlich schwierig, besonders für kleine Körper.

Ob diese Trabanten kleiner Körper über Jahrmillionen stabil sind, ist eine andere Frage. Es gibt eine Reihe von Gründen zu der Annahme, dass dies nicht der Fall ist.

• Kleine Körper haben eine kleine Masse und daher ein kleines Gravitationsfeld.
  Hier sind zwei Schlüsselkonzepte zu betrachten, die Hill-Sphäre und die Laplace-Einflusssphäre (SOI). Die beiden Konzepte geben unterschiedliche Indikatoren für die Stabilität der Umlaufbahn eines Objekts, das einen kleinen Körper umkreist, der wiederum einen größeren Körper umkreist. Unter der Annahme einer kreisförmigen Umlaufbahn um einen größeren Körper (z. B. die Sonne) ist die Hügelkugel gegeben durch$a\left(\frac m {3M} \right)^{1/3}$während der SOI durch gegeben ist$a\left(\frac m M \right)^{2/5}$. Hier,$a$ist der Bahnradius,$m$ist die Masse des kleineren Körpers, und$M$ist die Masse des größeren Körpers. Ein Objekt von 10 ⁶ , das die Sonne in 3 Astronomischen Einheiten umkreist (der Asteroidengürtel), hat eine Hügelkugel von 2,5 km und einen SOI von 86 Metern. In jedem Fall ist das ein ziemlich kleiner Radius, über den ein noch kleinerer Stein eine stabile Umlaufbahn haben kann.

• Kleine Körper haben eine kleine Masse und weichen daher stark von der Kugelform ab.
  Der kürzlich besuchte Asteroid 25143 Itokawa und der Komet 67P/Churyumov-Gerasimenko (beide unten abgebildet) illustrieren diesen Punkt perfekt. Diese sind überhaupt nicht kugelförmig. Eine bessere Beschreibung ist eine klumpige Russet-Kartoffel. Die nicht kugelförmige Natur der Gravitationsfelder dieser kleinen Objekte bedeutet, dass die Umlaufbahn eines Körpers, der diese kleinen Körper umkreist, nicht stabil sein wird. Für eine deutliche Darstellung dieses Effekts lesen Sie den Artikel Bizarre Lunar Orbits von nasa.gov.

^{25143 Itokawa, Bildnachweis JAXA, über Wikipedia Commons}

^{Komet 67P/Churyumov-Gerasimenko, Bildnachweis ESA/Rosetta/MPS für das OSIRIS-Team MPS/UPD/LAM/IAA/SSO/INTA/UPM, via nasa.gov}

Warum kreist kosmischer Staub nicht um Felsen, die um ein Vielfaches schwerer sind als die Staubkörner? Wenn Staub immer noch zu schwer ist, was ist dann mit Molekülen, Atomen oder anderen Partikeln?

Durch den Strahlungsdruck der Sonne werden extrem kleine Teilchen aus dem Sonnensystem geschleudert . Etwas größere (aber immer noch sehr kleine) Teilchen schrauben sich dank des Poynting-Robertson-Effekts nach innen in die Sonne . Etwas größere Partikel bis hin zu kleinen Steinen werden dank des Yarkovsky-Effekts spiralförmig hinein- oder herausgezogen . Als die Sonne vor 4,6 Milliarden Jahren aufleuchtete, haben Sonnenstrahlung und der Sonnenwind das Sonnensystem von winzigen Teilchen befreit. Vor allem durch Kollisionen im Asteroidengürtel entstehen ständig neue winzige Schrottstücke. Wir sehen den nach innen gewundenen Staub, der aus diesen Kollisionen resultiert, als das Tierkreislicht .

Der Massenunterschied sollte millionenfach sein; Reicht es nicht für eine Umlaufbahn? Der Mond macht 1 % der Masse der Erde aus, aber wir sehen keine 1 kg Steine, die 100 kg Steine ​​umkreisen.

Wenn Sie dies noch nicht getan haben, lesen Sie den oben genannten Artikel über Bizarre Lunar Orbits . Was mit PFS-1 und PFS-2 passiert ist, ist wirklich bizarr.

Wenn Sie das verstehen, sind Sie auf dem besten Weg zu verstehen, warum Superhaufen mehrere Galaxiengruppen haben können, die sie „umkreisen“, Galaxiengruppen können mehrere Galaxien haben, die sie „umkreisen“, Galaxien können mehrere Sterne haben, die sie umkreisen, Sterne können Planeten haben, die sie umkreisen , und Planeten können Monde haben, die sie umkreisen, aber Monde können keine Satelliten haben, die sie umkreisen. Bei Planeten und Asteroiden endet die Hierarchie.