Орбита вокруг Юпитера длиной в 1 год не работает

Орбитальная механика на самом деле довольно проста математически. Существуют жестко определенные формулы, контролирующие, что может и чего не может происходить.

Формула расстояния менее массивного тела (Земли) от более массивного тела (Юпитера) дается выражением

куда$GM$стандартный гравитационный параметр Юпитера ($1.27\times10^{17}\text{ m}^3\text{s}^{-2}$); и T - желаемый орбитальный период (1 год =$3.15\times10^{7}\text{ s}$). Подставляем эти цифры и получаем около 15 миллионов км.

Во-первых, это не сработает для желаемой вами «близости» к Юпитеру. Юпитер имеет радиус около 70 000 км. Используя простую тригонометрию, объект диаметром 140 000 км на расстоянии 15 млн км занимает

дуги, равной примерно 32 угловым минутам. Для сравнения, Луна находится от 29 до 34 угловых минут; В этой ситуации Юпитер появится на небе примерно такого же размера, как наша Луна.

Во-вторых, размеры существующих галилеевых спутников варьируются от 0,42 млн км (Ио) до 1,89 млн км (Каллисто). Большие луны не существуют так далеко от планет, по крайней мере, в нашей Солнечной системе. Я могу предложить вам эту карту самой далекой луны от одного из наших Газовых Гигантов с массой X порядка.

X  Moon                Distance 
18 Sycorax (Uranus)  12 179 000 km
19 Nereid (Neptune)   5 513 818 km
20 Iapetus (Saturn)   3 560 820 km
21 Iapetus (Saturn)   3 560 820 km
22 Callisto (Jupiter) 1 882 709 km
23 Callisto (Jupiter) 1 882 709 km

Как видите, большие луны так далеко не улетают. Самая большая луна Юпитера с радиусом 15 миллионов километров и более имеет диаметр около 60 километров. Мораль этой истории заключается в том, что объект такой же массы, как Земля (опять же в 50 раз более массивная, чем любая Луна), не будет оставаться стабильным на орбите, такой далекой от газового гиганта в загруженной солнечной системе.

Вывод

Вы можете использовать это уравнение орбитального периода (и другие по ссылке в Википедии), чтобы определить, как сделать орбитальные характеристики ваших планет более похожими на то, что вы хотите.

Я бы посоветовал попытаться сделать Газового гиганта еще больше, там есть планеты в 10 раз больше Юпитера. Просто следите за тем, чтобы масса газового гиганта не превышала ~ 0,08 солнечной массы , что является точкой, в которой гигант может воспламениться в звезду (сам Юпитер имеет чуть менее 0,001 солнечной массы ).

РЕДАКТИРОВАТЬ. Как отмечает @Tradeylouish в комментариях, даже если вы сделаете «Юпитер» больше, увеличение массы приведет к пропорциональному увеличению расстояния, необходимого для того, чтобы объект находился на 1-летней орбите; в результате «Юпитер» остался бы в небе примерно такого же размера.

Я предлагал сделать «Юпитер» больше, чтобы расчистить пространство вокруг него и позволить ему удерживать спутник на таком большом расстоянии. Однако это не поможет вашей планете казаться массивной в небе.

Предложение @Tradeylouish о плотности - это то, что нужно, если вы хотите, чтобы планета была огромной в небе (хотя это не обязательно поможет удержать спутник на далекой орбите). Плотность газовых гигантов, по-видимому, может быть довольно низкой; проверьте ТрЭС-4б ( никакого отношения ), который имеет массу примерно Юпитера, но плотность 200 кг/м$^2$...примерно как пробковое дерево.

Нет.

Орбита эллиптическая (а не линейная, как предсказывает Первый закон Ньютона), потому что планета притягивает орбитальный аппарат ¹ .

Итак, у нас есть только сила планеты, приложенная к телу, которое вращается вокруг нее. Почему этот объект просто не падает?

Потому что притяжение планеты ² обеспечивает ускорение; то есть изменение скорости тела. Вместо того, чтобы лететь прямо, это ускорение заставляет его менять направление своей скорости, изгибая свой путь.

Теперь у нас есть 3 варианта:

• Тело движется настолько быстро, что притяжение планеты не меняет его скорость настолько, чтобы удержаться на текущей орбите: тело переходит на более высокую орбиту или просто улетает от планеты.

• Тело движется так медленно, что притяжение планеты настолько меняет его скорость, что оно не может удержаться на орбите; орбиты тела с каждым разом приближаются к планете.

Эти два пункта работают следующим образом: если тело удаляется от планеты, вокруг которой оно вращается, оно теряет энергию (которая идет на компенсацию гравитационной энергии) и замедляется. И, в то же время, более широкая орбита означает, что, даже если гравитационное притяжение медленнее, оно продолжает воздействовать на вращающееся тело в течение большего времени (по мере увеличения времени обращения). Когда тело движется к планете, все наоборот, оно ускоряется, пока не найдет более низкую орбиту, соответствующую его новой скорости (или не разобьется).

• Движение тела достигает равновесной скорости. Притяжение планеты изменяет ее скорость настолько, чтобы удерживать ее на орбите, но не меняя ее. На идеальной круговой орбите это можно описать как тело, всегда имеющее одну и ту же величину скорости (одни и те же км / с), в то время как направление скорости постоянно меняется на одну и ту же величину, достаточную для движения по орбите.

Так что нельзя как-то замедлить вращающееся тело. Проблема в том, что как только вы замедляете его, каким бы то ни было образом, он начинает падать на планету, потому что единственное, что удерживает его на орбите, — это его текущая скорость ³ .

TL;DR Факторами, определяющими орбиту, являются скорость тела, находящегося на орбите, и масса тела, вокруг которого оно вращается. Единственным фактором, который можно было бы изменить, была бы масса газового гиганта, но тогда возникает вопрос, как сделать немассивного газового гиганта (подсказка: газ имеет тенденцию убегать, если нет сильного притяжения со стороны его планеты). ).

² Или любой силы.

³ Технически, вращающееся вокруг тела всегда падает — термин « свободное падение » означает, что — к телу, вокруг которого оно вращается, но постоянно промахивается мимо него.

Я нашел полезную статью «Обитаемость экзолуны ограничена освещением и приливным нагревом» (Kipping, 2009a).

Было показано, что максимально возможная продолжительность дня спутника, совместимая со стабильностью Хилла, составляет около Pp / 9, где Pp - это период обращения планеты вокруг звезды. Таким образом, если бы Луне каким-то образом удавалось вращаться вокруг планеты-гиганта с периодом в один земной год, период обращения планеты-гиганта вокруг их солнца должен был бы составлять не менее девяти земных лет.

Если Луна получает столько же излучения от своей звезды, сколько Земля получает от Солнца, и обращается вокруг этого Солнца с периодом не менее девяти лет, ее звезда, вероятно, должна быть настолько массивной и яркой, что не останется на главной последовательность, достаточно длинная, чтобы Луна стала обитаемой для людей, развилась многоклеточная форма жизни или появились местные разумные виды. Если только сверхпродвинутые инопланетяне не терраформировали Луну, не сделали ее обитаемой и не дали ей развитые формы жизни.

У очень тусклой звезды обитаемая зона была бы очень близко к ней, и ее приливные силы заставили бы любую планету, вращающуюся вокруг обитаемой зоны, быть заблокированной приливом, причем одна сторона всегда была бы обращена к ее звезде в вечном дне, а другая сторона всегда была бы обращена от ее звезды в вечном дне. вечная ночь.

В нашей Солнечной системе астрономы считали, что Меркурий приливно заперт Солнцем, с одной стороны вечный день и адский зной, а с другой стороны замерзающий в вечной ночи и холоде. Но в 1964 году было обнаружено, что Меркурий заблокирован приливами, но не так сильно, как резонанс 1:1. Меркурий имеет резонанс 3:2. Орбитальный период или год Меркурия составляет 87,969 земных суток. Звездные сутки или период вращения Меркурия относительно звезд составляют 58,646 земных суток. Таким образом, за два меркурианских года приходится три меркурианских звездных дня. Но солнечный день, время между двумя последовательными восходами или закатами солнца в каком-либо месте на поверхности Меркурия, составляет два меркурианских года, или около 175,938 земных дней.

Некоторые астрономы полагали, что Венера также может быть заблокирована приливами в резонансе 1:1, и некоторые старые научно-фантастические рассказы были связаны с такой Венерой. Это не так, но Венера действительно имеет странное соотношение между продолжительностью года и дня. Орбитальный период или год Венеры составляет 224 701 земных суток. Звездные сутки или период вращения Венеры составляют 243,025 земных суток, что больше года. Все планеты на нашей солнечной орбите вращаются вокруг Солнца против часовой стрелки, если смотреть с северного полюса Земли. Большинство планет также вращаются против часовой стрелки или в прямом направлении.

Если бы Венера делала это, ее солнечный день, время между двумя последовательными восходами солнца в одном и том же месте на ее поверхности, длилось бы несколько венерианских лет и, таким образом, превышало бы земной год. Но Венера вращается в противоположном направлении, по часовой стрелке, если смотреть сверху на северный полюс Земли, или ретроградно. Это делает продолжительность солнечного дня на Венере «всего» 116,75 земных дня, меньше, чем у Меркурия. Никто не знает, что дало Венере ее длинный звездный день и ретроградное вращение. Распространенной теорией является гигантское столкновение миллиарды лет назад.

Если длинный день и ретроградное вращение Венеры имеют одну и ту же причину, планета должна редко иметь длинный звездный день, такой как Венера, без ретроградного вращения, которое сделало бы солнечный день короче, чем звездный день. Но если длинный день и ретроградное вращение Венеры имеют две разные и независимые причины, для планеты должно быть гораздо более обычным иметь длинный звездный день, такой как Венера, без ретроградного вращения, и, следовательно, солнечные дни будут такими же длинными, как земные. год будет гораздо более распространенным.

Из того, что я слышал, планета, дни и ночи которой намного длиннее, чем несколько земных дней, будет страдать от экстремальной жары и холода в течение дня и ночи. Формы жизни могли процветать только в течение сравнительно коротких периодов времени перед восходом и заходом солнца. Они должны были бы войти в своего рода анабиоз или умереть, оставив защищенные семена и яйца дважды в год.

Добавлено 25.04.2017. Или формы жизни могут двигаться вместе с восходом и закатом. При экваториальной окружности около 25 000 миль и сутках продолжительностью около 365,25 земных суток животные должны были бы двигаться со средней скоростью 68,446 миль в день или 2,851 миль в час на экваторе. В более высоких широтах, где окружность планеты была намного меньше, они могли двигаться медленнее. Там, где длина окружности составляла всего 2500 миль, им потребовалась бы средняя скорость 6,8446 мили в день или 0,2851 мили в час.

Диамагнитная луна.

Проблема с этой проблемой гравитация. Орбитальная математика, опубликованная @kingledion выше, негибкая. Чтобы спутник находился так близко, как вы хотите, и так медленно, как вы хотите, чистая сила притяжения должна быть меньше. Более легкий спутник не может этого сделать — как продемонстрировал Галилей, сбрасывая шары с падающей башни в Пизе. Сила притяжения равна M1*M2, и когда M1 огромно, M2 не имеет большого значения. Вы можете сделать Юпитер легче, но что в этом интересного?

Что требуется, так это сила, которая могла бы противодействовать гравитации, чтобы чистая сила притяжения на Луне была ниже. Я могу придумать 2, которые могут работать: электрическое отталкивание и диамагнетизм . Диамагнетизм — это магнитное отталкивание: эффект, который позволяет некоторым непарамагнитным предметам (например, лягушкам) левитировать в сильном магнитном поле. Достижение левитации означает, что сила гравитации полностью противоположна.

Юпитер — хороший кандидат на это, потому что у него очень сильное магнитное поле. Если начать с допущения, что диамагнитное отталкивание может быть достаточно сильным, чтобы противостоять гравитационному притяжению в этом масштабе, то для диамагнитного спутника можно утверждать, что магнитное отталкивание противостоит гравитации в любой желаемой степени. Произвольно слабая или сильная результирующая сила притяжения позволит вашему спутнику двигаться по орбите на любом расстоянии, которое вам нравится.

Это предполагает, что магнитное поле вокруг Юпитера однородно, но если оно чем-то похоже на земное, то это не так. Я мог представить себе спутник, который ускорялся и замедлялся / двигался все выше и ниже, пересекая неравномерности магнитного поля, а чистая сила притяжения возрастала и уменьшалась.

Возможно, удастся заменить Юпитер большим количеством облака, а не законной газовой планетой. Какая-то звезда, возможно, с очень низкой плотностью. Я не уверен, что такие объекты существуют, но они могут предоставить большой объект в небе, который вы ищете.

Как дал другой ответ, ваше расстояние должно быть 15 миллионов км, если ваши массы одинаковы (нет реальной причины менять массы). Трудно сказать, что вы подразумеваете под «доминировать в небе», но давайте возьмем 5 градусов (0,08727 радиан).

Таким образом, для того, чтобы ваша планета имела размер 5 градусов на расстоянии 15 миллионов км, вам нужен диаметр примерно равный tan(0,08727)*15 000 000 = 1 312 000 км . При массе 1,898e27 кг ваша плотность составляет примерно 6,7 кг/м^3. Другими словами, это не будет считаться планетой, и я не уверен, что такое облако могло образоваться без их совместного формирования. Возможно, ваша планета только что образовалась из обломков какой-нибудь звезды.