Comment une planète peut-elle capturer une lune?
Il y a 178 lunes dans le système solaire, selon la fiche d'information planétaire de la NASA , donc cela semble être un événement courant. Les sections suivantes montreront que la capture de la lune est en fait peu probable, mais quand une planète a une ou plusieurs lunes, la capture devient plus facile.
Conditions initiales
À partir des conditions initiales, la planète est en orbite autour du soleil et un astéroïde est sur une orbite différente autour du soleil.
Pour que la capture devienne possible, l'astéroïde et la planète doivent se rapprocher. Lorsque l'astéroïde pénètre dans la sphère d'influence de la planète, la gravité de la planète est le principal facteur déterminant le chemin de l'astéroïde.
Résultats possibles
Par rapport à la planète, l'astéroïde suivra une trajectoire hyperbolique et aura donc une énergie cinétique suffisante pour éviter sa capture. Une grande variété de résultats peuvent se produire, mais ceux qui conduisent à la capture sont ceux où l'astéroïde perd en quelque sorte suffisamment d'énergie cinétique pour que sa vitesse tombe en dessous de la vitesse d' échappement de la planète tout en conservant suffisamment d'énergie pour atteindre une orbite fermée (elliptique). Les principaux résultats (pas les seuls) possibles sont
l'orbite de l'astéroïde est perturbée, dans une plus ou moins grande mesure, et continue sa sortie de la sphère d'influence de la planète.
l'orbite de l'astéroïde est perturbée et l'astéroïde impacte la surface de la planète. Ce serait généralement la fin du processus, mais les théories actuelles sur la façon dont la Terre a capturé la Lune sont qu'un corps nommé Thea a impacté la Terre et que la Lune s'est formée à partir de certains débris de collision.
l'orbite de l'astéroïde est perturbée et la trajectoire de l'astéroïde coupe l'atmosphère de la planète, perdant de l'énergie cinétique sous forme de chaleur dans l'atmosphère (semblable à l' aérofreinage ).
l'orbite de l'astéroïde se rapproche d'une lune existante de la planète et est accélérée (dans le sens où la décélération n'est qu'une accélération avec le signe opposé) par la lune existante, telle qu'utilisée par le vaisseau spatial MESSENGER pour ralentir sa vitesse avant d'orbiter sur Mercure.
Les deux derniers cas admettent la possibilité de capture.
Capture possible
Après avoir perdu de l'énergie dans l'atmosphère planétaire, si l'astéroïde a perdu suffisamment d'énergie, il peut entrer dans une orbite fermée autour de la planète. Le problème est que l'orbite entrecoupera à nouveau l'atmosphère, perdant de l'énergie à chaque fois, jusqu'à ce qu'elle ait un impact sur la surface planétaire. La capture peut se produire lorsqu'une lune existante est présente et est juste au bon endroit pour que sa gravité réduise l' excentricité de l'orbite de l'astéroïde.
Ainsi, le cas le plus probable où une planète peut capturer un astéroïde libre est quand il y a déjà une ou plusieurs lunes présentes. L'astéroïde entrant doit éviter d'entrer dans la sphère de Hill de la lune existante - la région où la lune dominerait le chemin de l'astéroïde.
L'assistance à la gravité peut accélérer un astéroïde lorsque l'astéroïde passe à l'extérieur de l'orbite de la lune, mais peut décélérer l'astéroïde passe à l' intérieur de l'orbite de la lune. Dans ce cas, une partie de l'énergie cinétique de l'astéroïde est transférée à la lune. Comme c'est le cas avec la capture d'aérofreinage, la capture assistée par gravité nécessite que la lune existante soit juste au bon endroit.
Un autre mécanisme
Un article assez élégant publié dans Nature (mentionné ci-dessous) montre comment deux corps en orbite en s'approchant de la planète auraient pu conduire à une capture par Neptune. Ce mécanisme pourrait également s'appliquer dans d'autres cas. Cette thèse (pdf) traite d'un processus similaire pour Jupiter.
Corps irréguliers
Il s'avère que les corps de forme irrégulière peuvent être capturés plus facilement que les corps sphériques. Orbiter dans la sphère Hill de la planète ne suffit pas pour que la capture soit permanente. Seules les orbites dans la moitié inférieure de la sphère de Hill sont stables. Les corps situés sur des orbites supérieures peuvent être perturbés par des planètes voisines et le corps peut éventuellement être éjecté. Mais les corps de forme irrégulière exercent de minuscules fluctuations dans l'attraction gravitationnelle sur la planète et orbitent en fait dans un manoir chaotique. Lorsque d'autres lunes ou anneaux sont présents, ces orbites chaotiques transfèrent progressivement de l'énergie aux corps des orbites inférieures, ce qui fait que le nouveau corps orbite plus bas et devient ainsi immunisé contre les perturbations externes. [citation requise]
Prograde vs orbites rétrogrades
La même analyse des orbites chaotiques et des travaux antérieurs ont également conclu que les orbites rétrogrades sont plus stables que les orbites progrades . Alors que les orbites progrades ne sont stables que dans la moitié intérieure de la sphère de Hill, les orbites rétrogrades peuvent être stables jusqu'à 100% du rayon de Hill . Par conséquent, la capture rétrograde est plus couramment observée (ce n'est pas toute l'histoire, c'est toujours une question de recherche).
Plusieurs lunes, anneaux et le premier système solaire existants
Alors que la probabilité qu'une seule lune soit au bon endroit au bon moment est faible, lorsqu'il y a plusieurs lunes, la probabilité d'une interaction utile initiale augmente linéairement. Mais la probabilité d'interactions supplémentaires augmente géométriquement, donc plus une planète a de lunes, plus elle est susceptible de capturer plus. L'existence d'anneaux facilite également la capture en exerçant une traînée sur la nouvelle lune, en prenant son énergie et en abaissant son orbite, de la même manière que le gaz non capturé le ferait au début du système solaire.
Les plus grandes planètes ont le plus de lunes
C'est peut-être évident, mais les plus grandes planètes ont le plus de lunes. En effet, ils ont des puits de gravité plus profonds et balaient plus d'objets. Même si la probabilité de capture est faible (la plupart des objets sont simplement attirés sur la planète), un filet constant a capturé des millions d'orbites.
Conclusion
Chaque mécanisme de capture nécessite un ensemble fortuit de conditions, et c'est donc en fait un événement assez rare. Un mécanisme est qu'une paire d'astéroïdes co-orbitants se sépare lorsque l'on pénètre dans la sphère planétaire de Hill. Les chances pour un astéroïde individuel sont améliorées lorsque l'astéroïde arrive avec une faible énergie cinétique qui doit être abandonnée à d'autres corps en orbite autour de la planète, et lorsqu'il y a déjà de nombreuses lunes ou un système d'anneaux.
Voir également