Как планета может гравитационно захватывать объекты?

Хороший вопрос!

Многие астрономы считают, что спутники Марса, Фобос и Деймос, являются захваченными астероидами. Другие возражают именно из-за вопросов, которые вы подняли. Захватить не просто. Без столкновения захват невозможен в ньютоновской задаче двух тел. Гиперболическая траектория остается гиперболической. С другой стороны, может произойти захват в задаче с несколькими телами.

Простой способ взглянуть на проблему трех тел — использовать подход с исправленными кониками. Один игнорирует вторичное (планету), когда объект, который нужно захватить, находится вне сферы влияния вторичного, а затем игнорирует первичное (солнце), когда объект находится внутри сферы влияния. Поведение внутри сферы влияния упрощается до задачи двух тел. Поскольку в задаче двух тел орбитальная энергия постоянна, захват вновь оказывается невозможным.

Проблема в том, что переход от игнорирования вторичного к игнорированию основного отбрасывает тонкое поведение, которое приводит к захвату. Первичный воздействует на объект на протяжении всей встречи, а вторичный гравитационно воздействует на объект, когда он находится далеко за пределами сферы влияния. В то время как заплатанный конический подход дает довольно хорошую оценку того, как пролет (также известный как помощь гравитации) изменяет как направление, так и величину вектора первичной центральной скорости, он дает паршивую картину захвата.

Планетно-орбитальная энергия захватываемого объекта постоянна в задаче двух тел. В задаче трех тел она непостоянна. Соприкасающаяся с планетой орбитальная энергия объекта, который необходимо захватить, изменяется во времени в задаче трех тел. При правильных обстоятельствах орбитальная энергия может временно переключиться со слегка положительной, что означает траекторию ухода, на слегка отрицательную, что означает временно связанную орбиту. Поскольку гравитационный градиент от Солнца максимален, когда планета находится в перигелии, именно здесь наиболее вероятен захват.

Захват гораздо более вероятен, если снимаемый объект войдет в сферу влияния планеты вблизи точки солнце-планета L1 или L2. Это приводит ко всем видам странного поведения. Нужно знать понятия устойчивых и неустойчивых многообразий, чтобы твердо понимать, что происходит (и, честно говоря, мое собственное понимание этих понятий немного нестабильно). Сфера Хилла действует как энергетический барьер для побега. Объект будет временно захвачен сферой Хилла планеты, когда столкновение произойдет вблизи перигелия и объект войдет в сферу влияния вблизи точки L1 или L2. Единственный выход состоит в том, чтобы хаотическая орбита объекта проходила вблизи точки L1 или L2.

Мы видели, как это происходило несколько раз здесь, на Земле. Фактически, один из таких посетителей, J002E3, скорее всего, является третьей ступенью Apollo 12 S-IVB. Вероятно, он покинул окрестности системы Земля-Луна через точку Земля-Солнце L1 или L2 в конце 1969 или 1970 годов, а затем ненадолго вернулся домой.

Это не настоящий захват. В конце концов хаотическая орбита захваченного объекта приведет объект к точке L1 или L2, а затем он исчезнет. Что-то еще должно произойти, чтобы превратить этот временный захват в постоянную связанную орбиту. Был предложен ряд механизмов для превращения этих временно связанных орбит в постоянные связанные орбиты. Это включает

• Встреча с атмосферой планеты,

• Многотельные взаимодействия с лунами планеты,

• Увеличение массы планеты,

• Перетащите из газа и пыли в протопланетный диск.

Последние два не могут произойти сейчас, но они могли произойти, когда Солнечная система еще формировалась.

Столкновение — один из способов избежать этих проблем. Именно так, по широко распространенному мнению, образовалась Луна Земли. Согласно этой гипотезе гигантского удара, протопланета размером с Марс врезалась в Землю вскоре после завершения формирования Солнечной системы. Часть выброса вышла на низкую околоземную орбиту и в конечном итоге образовала Луну.

Некоторые теперь думают, что именно так образовались Фобос и Деймос. Теперь, когда мы лучше рассмотрели эти луны, они не совсем похожи на астероиды. Они больше похожи на сам Марс.

Сейчас люди учатся использовать преимущества баллистического захвата, чтобы снизить требования к дельта-V для космического корабля. Недавним примером является эксперимент Лаборатории восстановления гравитации и внутренних дел (GRAIL), в котором использовалась пара спутников, используемых для картографирования гравитационного поля Луны. В этой миссии не использовался переход в стиле Аполлона с низкой околоземной орбиты после запуска на транслунную траекторию, а затем, примерно через шесть дней, переход на лунную орбиту. Вместо этого эти аппараты направились к точке L1 Солнце-Земля, а оттуда следовали по баллистической траектории захвата к Луне. Это уменьшило требуемую дельта-V на хорошую величину.

Взаимосвязь между затратами на топливо и дельта-V сильно нелинейна; это почти экспоненциально. Небольшое уменьшение дельта-V может значительно снизить затраты на топливо или увеличить полезную нагрузку. Последнее имело место в случае с экспериментом GRAIL. Уменьшение требуемой дельты-V означало, что они могли повторно использовать устаревшие инструменты (оборудование, используемое в GRACE) без особых изменений. Прямая траектория потребовала бы серьезной переделки.

Я рад, что кто-то задал этот вопрос, потому что я тоже пытался его представить. Моя текущая (нематематическая) модель заключается в том, что захват возможен, если объект, который нужно захватить, передает некоторую энергию другому объекту — я думаю, это гравитационное столкновение. Например, если большой объект пройдет рядом с Землей, возможно, он подбросит Луну на более высокую орбиту, что должно означать, что объект потеряет эту энергию и, возможно, теперь у нее будет достаточно энергии, чтобы выйти на эллиптическую орбиту. Мне было бы интересно, как относительные массы объекта и луны влияют на вероятность захвата. Моя интуиция подсказывает, что чем они более равны по массе, тем легче может быть захват — и тем больше вероятность того, что луна может быть выброшена в процессе. Конечно, в зависимости от массы надо спрашивать, кто кого захватывает.