Wie beeinflussen Sterne die Umlaufbahnen von Monden?

Kurze Antwort: ja.

Lange Antwort: Es ist kompliziert.

Dies ist ein klassisches Drei-Körper-Problem , und ein echtes Beispiel wäre das Sonne-Erde-Mond-System.

Leider gibt es keine allgemeine Lösung des 3-Körper-Newtonschen Gravitationsproblems, so dass wir für Spezialfälle auf spezielle Methoden zurückgreifen müssen und selbst diese sich als recht komplex erweisen.

Die beste Antwort, die ich auf Ihre spezifische Frage zu Sonne-Erde-Mond finden konnte, ist diese auf Yahoo . Wie Sie sehen können, ist der resultierende Effekt ein recht komplexer Satz periodischer Effekte. Es ist klein, aber nicht zu vernachlässigen.

Sie können sich den Effekt in einem solchen System intuitiv vorstellen, indem Sie beachten, dass das Planet-Mond-System den Stern typischerweise in guter Näherung in einer erheblich größeren Entfernung umkreist als die Planet-Mond-Entfernung. Der Planet und der Mond selbst umkreisen ihren Schwerpunkt. Der relative Unterschied der Gravitationskräfte zwischen der Position, an der der Mond am weitesten entfernt ist, und der Position, an der er am nächsten ist, gibt Ihnen einen groben Anhaltspunkt für die Größenordnung des Effekts. Eine Berechnung der Rückseite der Hüllkurve für die Erde ergibt eine Größenordnung von etwa 1% für Sonne-Erde-Mond.

Andere Systeme werden anders sein, aber es wird sicherlich einen Effekt geben.

Nur um StephenGs Antwort zu ergänzen, und weil ich denke, dass ein wichtiger Punkt nicht behandelt wurde, werde ich es mit diesem versuchen. Warnung - Antwort ist wahrscheinlich zu lang.

1) Ja, es ist kompliziert und die Mathematik wird ein wenig intensiv.

2), wie StevenG betont, ist es ein 3-Körper-Problem und das 3-Körper-Problem hat keine Lösung, aber es kann in vielen Fällen auf einem Supercomputer für Millionen oder zig Millionen Umlaufbahnen und Millionen oder zig Millionen von Jahren ausgeführt werden in die Zukunft mit ziemlich guter Genauigkeit. Die Fehlerspanne verdoppelt sich mit der Zeit, daher gibt es Grenzen für solche Berechnungen, aber innerhalb dieser Grenzen können Modelle der Zukunft von 3-Körper-Umlaufbahnen erstellt werden.

3) und mein Hauptpunkt. Es gibt einen Unterschied zwischen einer stabilen 3-Körper-Umlaufbahn (Mond umkreist die Erde, Erde umkreist die Sonne) und dem instabilen Modell , auf das typischerweise in einem 3-Körper-Problem Bezug genommen wird, wie das Bild unten aus dem n-Körper-Problem in Wikipedia ).

Da sich der Mond bequem innerhalb der wahren Stabilitätsregion innerhalb der Hill Sphere der Erde befindet, kann seine Umlaufbahn als stabil angesehen werden. Letztendlich sind alle Umlaufbahnen instabil, wenn ich also sage, dass es stabil ist, dann meine ich, stabil für Hunderte von Millionen oder Milliarden von Jahren. Das ist eine schöne runde Zahl. Phobos zum Beispiel wird voraussichtlich in etwa 10 Millionen Jahren auf den Mars stürzen oder innerhalb der Roche-Grenze des Mars auseinanderbrechen. Manche Leute nennen das eine instabile Umlaufbahn, aber 10 Millionen Jahre sind eine lange Zeit. Es gibt keine genaue Trennlinie zwischen stabilen und instabilen Umlaufbahnen, es ist eher ein Begriff der Bequemlichkeit als der Genauigkeit.

Unter Verwendung der Kepler-Gesetze und der Erde-Mond-Sonne als Beispiel umkreist das Baryzentrum Erde-Mond die Sonne im Wesentlichen in einer Kepler-Umlaufbahn. Jedenfalls ziemlich nah. Wenn Sie ein Stickler sein wollen, umkreist es das 3-Körper-Baryzentrum, aber da das Massenverhältnis der Sonne zu Erde / Mond etwa 330.000 zu 1 beträgt, ist es ziemlich nahe daran, nur die Sonne zu umkreisen. Keplers Gesetze sind ziemlich nah dran.

Der Mond umkreist die Erde nicht in einer sauberen Kepler-Umlaufbahn, da die Sonnengezeiten erheblich sind, wodurch die elliptische Umlaufbahn des Mondes ziemlich gestreckt und wackelig wird. Die gleichen Sonnengezeiten, die die Ozeane auf der Erde beeinflussen, beeinflussen die Mondumlaufbahn um die Erde.

Dieses Diagramm ist übertrieben, also nehmen Sie es mit einem Körnchen Salz, aber das ist der Kern dessen, was die Sonne mit der Umlaufbahn des Mondes macht. Es ist immer noch elliptisch, aber sichtbar gestreckt.

Apsidenpräzession

Die Apsidenpräzession des Mondes vollzieht alle 8,85 Jahre oder ungefähr 109 synodische Umlaufbahnen einen vollen 360-Zyklus, etwas mehr als 3 Grad von dem entfernt, wo es nach den Kepler-Gesetzen pro Umlauf sein sollte. Das ist mehr als das 1000-fache der Schwankung der Merkurpräzession , die Astronomen jahrzehntelang verwirrte.

Diese signifikante Mondpräzession ist fast ausschließlich auf Sonnengezeiten zurückzuführen und ist ein Beispiel dafür, wie Sonnengezeiten die Umlaufbahn des Mondes um die Erde beeinflussen. Wenn Venus oder Merkur Monde hätten, hätten diese Monde wahrscheinlich noch größere Präzessionen.

Jetzt sind langfristige Änderungen viel langsamer, da die Präzession dazu neigt, sich im Laufe der Zeit auszugleichen. Selbst mit der signifikanten Präzession des Mondes gilt er immer noch als stabile Umlaufbahn und befindet sich bequem innerhalb der wahren Region der Stabilität innerhalb der Hill Sphere der Erde. Es gibt auch sehr wenig chaotische Unvorhersehbarkeit in der Umlaufbahn des Mondes, die typisch für ein Standard-3-Körper-Problem ist. Das heißt nicht, dass es keine gibt, es gibt immer noch einige, aber es gibt auch eine langfristige Konstanz der Umlaufbahn des Mondes. Siehe hier für eine sehr schöne Erklärung des 3-Körper-Problems .

Um es kurz zu machen, was mit einer strukturierten Umlaufbahn (Sonne-Planet-Mond) passiert, bei der sich alle Umlaufbahnen innerhalb echter Stabilitätsregionen befinden, wird etwas vorhersehbar. Grundsätzlich stiehlt oder entzieht die Sonne der Planeten-Mond-Umlaufbahn als Wirkung der Gezeitenkraft Energie. Wie das passiert, ist schwierig zu erklären und vielleicht gibt es einen Experten, der es besser erklären oder coole Grafiken liefern kann. Ich habe diese Fähigkeiten nicht.

Nun ist „stehlen“ vielleicht ein böses Wort. Der Planet umkreist den Stern und der Mond, umkreist den Planeten, aber diese Umlaufbahn wird durch die Gezeitenkraft der Sterne gedehnt und zusammengedrückt. Wenn Sie sich den Mond als eine "Ausbuchtung" auf dem Planeten vorstellen, zieht die Sonnengravitation an dieser Ausbuchtung und verlangsamt sie. Aber der Effekt ist ziemlich gering, da es sowohl über die Hälfte der Umlaufbahn beschleunigt als auch über die 2. Hälfte verlangsamt wird, aber die Dezirkularisierung der Umlaufbahn, wenn sie addiert wird, führt zu einer Abnahme der Umlaufbahnenergie im Laufe der Zeit.

Die Sonne tut dies jetzt mit dem Erde-Mond-System, aber es ist messbar kleiner als die Erde-Mond-Dynamik, die den Mond etwa 3,8 cm pro Jahr von der Erde wegdrückt . Im Laufe der Zeit, wenn die Erde ihre Ozeane verliert und der Mond sich etwas weiter nach außen bewegt, wird der Sonneneffekt zur Hauptkraft, die den Mond langsamer zurück zur Erde zieht, aber das ist wahrscheinlich Milliarden von Jahren entfernt.

Eine alternative Art, darüber nachzudenken, anstelle von Sonne-Planet-Mond ist Planet-Mond-Sub-Satellit oder Planet-Mond-Sub-Mond. Für dieses Modell haben wir tatsächlich beobachtete Daten.

Monde haben in der Regel keine eigenen Monde und der Grund dafür ist derselbe - Gezeitenkräfte. Und im Durchschnitt ist die Gezeitenkraft, die ein Mond von seinem Planeten erhält, erheblich größer als die Kraft, die ein Planet von seinem Stern erhält, aber obwohl die Gezeiten um ein Vielfaches stärker sind, ist das Prinzip immer noch dasselbe.

Siehe „Können Monde Monde haben“ . Dr. Fraser Cain erklärt, was passiert, er geht nicht auf die Einzelheiten ein, warum (Mathematik vertreibt die Leser). Aber er erklärt, was passiert. Aus seinem Artikel

Kein Satellit, den wir zum Mond geschickt haben, hat jemals länger als ein paar Jahre umkreist, bevor er auf die Mondoberfläche gestürzt ist. Theoretisch könnten Sie wahrscheinlich einen Satelliten bekommen, der einige hundert Jahre um den Mond herumreicht.

Aber wieso? Wie kommt es, dass wir keine Monde machen können, damit unser Mond für alle Zeiten einen eigenen Mond hat? Es hängt alles von der Schwerkraft und den Gezeitenkräften ab. Jedes Objekt im Universum ist von einer unsichtbaren Schwerkraftkugel umgeben. Alles innerhalb dieses Volumens, das Astronomen die „Hügelsphäre“ nennen, wird dazu neigen, das Objekt zu umkreisen.

Wenn Sie also den Mond in der Mitte des Weltraums hätten, könnten ihn ohne Wechselwirkungen leicht mehrere Monde umkreisen. Aber man bekommt Probleme, wenn man diese überlappenden Einflusssphären hat. Die Schwerkraft der Erde vermischt sich mit der Schwerkraft des Mondes.

Obwohl ein Raumschiff den Mond für eine Weile umkreisen kann, ist es einfach nicht stabil. Die Gezeitenkräfte werden dazu führen, dass die Umlaufbahn des Raumfahrzeugs zerfällt, bis es abstürzt. Aber weiter draußen im Sonnensystem gibt es winzige Asteroiden mit noch kleineren Monden. Das ist möglich, weil sie so weit von der Sonne entfernt sind. Bringen Sie diese Asteroiden näher an die Sonne, und jemand verliert einen Mond.

Das Objekt mit der größten Hügelkugel im Sonnensystem ist Neptun. Weil es so weit von der Sonne entfernt und so massiv ist, kann es seine Umgebung wirklich beeinflussen. Man könnte sich einen massiven Mond vorstellen, der Neptun in der Ferne umkreist, und um diesen Mond herum könnte ein eigener Mond sein. Aber dies scheint nicht der Fall zu sein.

Die NASA erwägt eine Mission, um einen Asteroiden einzufangen und in eine Umlaufbahn um den Mond zu bringen. Das wäre sicherer, als es die Erde umkreisen zu lassen, aber immer noch nahe genug, um Ressourcen zu extrahieren. Aber ohne irgendeine Art von Orbitalschub werden diese Gezeitenkräfte es schließlich auf den Mond stürzen.

Die Gezeitenkräfte der Erde werden dazu führen, dass ein Objekt in der Mondumlaufbahn auf den Mond stürzt. (Die gravitative Klumpigkeit des Mondes hilft auch nicht - aus einem ganz anderen Grund sind beide Faktoren.)

und die permanente Gezeitensperre des Mondes auf der Erde erschwert eine Mondumlaufbahn. In gewissem Sinne gibt es eine permanente schwere Seite, die der Erde zugewandt ist, und eine permanente helle Seite des Mondes, die immer von der Erde abgewandt ist. Siehe Artikel hier . Dieses Ungleichgewicht trägt dazu bei, instabile Umlaufbahnen um den Mond zu schaffen.

Je massereicher ein Planet im Durchschnitt ist, desto gravitativer wird er kugelförmig (wenn man Rotationsausbeulungen ignoriert, aber da die meisten Umlaufbahnen äquatorial sind, ist Ausbeulung kein Problem). Monde und kleinere Planeten (wie Mars) können gravitativ klumpiger sein, was die Umlaufbahnen etwas weniger stabil macht.

Aber zu Ihrer Frage: Die solare Gezeitenkraft zieht Monde näher an ihre Planeten, aber außerhalb von Merkur und Venus sind die solaren Gezeiten klein genug, dass dies kein großer Faktor ist. Wenn wir uns Exoplaneten und rote Zwergsterne mit nahe umlaufenden Planeten genauer ansehen, werden wir vielleicht feststellen, dass Monde auf diesen Planeten wegen der vergleichsweise größeren solaren Gezeitenkräfte selten sind, aber solche Beobachtungen sind wahrscheinlich weit entfernt. Ich bin mir nicht sicher, ob nicht einmal das James-Webb-Teleskop Exomonde identifizieren wird.

Andere Sonneneffekte, wie Verdunstung/Transpiration von der Oberfläche eines Planeten, würden den Planeten leichter machen, so dass eine Sonne in diesem Sinne dazu führen kann, dass ein Planet einen Mond verliert, wenn der Planet aufgrund des Sonnenwinds an Masse verliert. (Dieser Effekt ist ziemlich langsam – Titan kommt mir als bestes Beispiel für ein Objekt im Sonnensystem in den Sinn, das aufgrund des Sonnenwinds an Masse verliert , aber selbst für Titan ist dieser Verlust sehr langsam. Wenn Titan jedoch einen Mond hätte, wäre das Sonnenwind würde dazu führen, dass sich der Mond langsam entfernt (aber die Schwerkraft des Saturn würde den Mond näher an Titan heranziehen).In Ihrer speziellen Frage zu Pluto ist dies wahrscheinlich ein größerer Effekt als die Gezeiten, daher veranlasst die Sonne wahrscheinlich Charon und Pluto dazu, sich langsam zu bewegen durch sogenanntes Ausgasen auseinander.

Als letztes Beispiel für Sonneneffekte würde der Gasdruck eines expandierenden Sterns dazu führen, dass sich eine Mondumlaufbahn verlangsamt und der Mond auf seinen Planeten stürzt, aber ein solcher Gasdruck wird nicht erwartet, bis unsere Sonne roter Riese wird.

Aber die Antwort, die Sie meiner Meinung nach suchen, ist, dass Sonnenfluten im Laufe der Zeit und ziemlich langsam Energie aus einer Planeten-Mond-Umlaufbahn um diesen Stern verbrauchen. Wie ich oben sagte. Wenn jemand die Mathematik dahinter erklären oder mit Grafiken zeigen kann, zögern Sie bitte nicht.

(zu lang?)