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¿Bumerán, resortera o torque-dependiente? Cómo clasificar su sistema de anillo-satélite favorito

Crédito de la imagen destacada: Límite de Roche, astronomoo.com

La cantidad de objetos conocidos que llevan anillos en el sistema solar continúan expandiéndose. La lista que alguna vez estuvo limitada a Saturno, agregó los cuatro planetas gigantes en los años 70 y 80. Más recientemente, las observaciones de ocultación estelar han encontrado anillos alrededor de los planetas menores Cariclo, Chiron y Haumea.

A diferencia de los sistemas con lunas, la mayoría de los sistemas con anillos nunca están solos. La existencia de satélites en conjunto con anillos crea dinámicas complejas que dictan el curso de la evolución de ambos objetos. Más allá de eso, existen influencias externas, como encuentros cercanos y eventual captura de objetos dispersados por el Cinturón de Kuiper (lo que le ocurrió a Neptuno) o impactos gigantes (lo que le ocurrió a la Tierra) que aumentan enormemente el número de posibles trayectorias de evolución.

Los autores del artículo de hoy crearon un modelo generalizado de co-evolución de anillo y satélite diseñado para ser fácil de comprender y aplicable al sistema solar.

Conoce tus límites

Existen cuatro límites principales para cada satélite en órbita. Lo que sucede cuando los satélites interactúan con estos límites determina gran parte de la forma en que el sistema evolucionará.

Las fuerzas de marea en un satélite surgen debido a la diferencia en la atracción gravitacional del planeta en el lado cercano versus el lado lejano del satélite. En el límite de Roche, la magnitud de la fuerza de marea en el lado cercano del satélite es igual a la fuerza de la gravedad que mantiene la superficie intacta. Cualquier satélite que se aventura más allá del límite de Roche será desgarrado Y esparcido por las fuerzas de marea, como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Ilustración de una luna a diferentes distancias del planeta. Una vez la luna pasa el límite de Roche, se desintegra y sus escombros orbitan a diferentes velocidades, creando anillos. Crédito de la imagen: Astronoo.com.

De hecho, hay dos límites de Roche. El límite de fluido de Roche (FRL, por sus siglas en inglés), para satélites ligeramente-aglomerados, localizado más lejos del planeta porque es más fácil desgarrar los pedazos de un fluido. El límite rígido de Roche (RRL, por sus siglas en inglés), que aplica a cuerpos sólidos como la Luna que tienen que acercarse al planeta antes de separarse.

Las fuerzas de marea tienen el efecto general de atraer un satélite hacia su planeta anfitrión, pero eso no significa que se derrumbará. Cuando un satélite y un anillo orbitan un planeta, pueden intercambiar momentum angular entre sí, a través de los torques de Lindblad. Los torques de Lindblad son ondas de densidad en los anillos causadas por resonancias en las órbitas, éstas empujan el satélite más lejos para poder equilibrar las fuerzas de marea.

Existe un límite para la distancia máxima que el torque de Lindblad puede empujar un satélite, denotado como aLind en este árticulo. Para mantener un satélite en órbita, debe haber un equilibrio entre el torque de marea y el torque de Lindblad, de lo contrario, el satélite se romperá o se perderá permanentemente en el espacio.

El último límite para cualquier satélite es el de la órbita síncrona (asynch), que es la distancia donde el satélite orbita a la misma velocidad que la rotación del planeta. Los satélites en órbita geosíncrona (alrededor de la Tierra) se utilizan para la comunicación porque siempre están directamente sobre los receptores terrestres. La órbita síncrona es extremadamente estable para un satélite porque el bulto de las mareas en el planeta, causado por el satélite, es estacionario en el marco de referencia del satélite. El resultado es que no hay torque en el satélite que pueda perturbar severamente su órbita.

Tres regímenes de evolución satelital

Figura 2. Los tres regímenes de evolución del sistema acoplado anillo-satélite. RRL es el límite rígido de Roche, FRL es el límite fluido de Roche, asynch es la órbita síncrona y aLind es la distancia más lejana a la cual la fuerza del torque de Lindblad puede empujar un satélite. La región sombreada representa un disco de densidad decreciente con radio. El círculo oscuro representa un satélite. Figura 1 en el artículo.

La innovación principal de este artículo es poder tomar cálculos matemáticos complejos para un sistema acoplado de anillo-satélite y convertirlo en tres regímenes comprensibles: “Bumerán”, “Resortera” y “torque-dependiente”.

La Figura 2 muestra la orientación de cada régimen. En el régimen de Bumerán asynch se encuentra más allá que aLind, lo que significa que el satélite quiere pero nunca puede salir a la órbita estable y síncrona. Los torques de Lindblad inicialmente intentan expulsar el satélite, pero eventualmente pierden contra las fuerzas de marea que arrastran al satélite más allá del límite de Roche.

En este punto, algunos de los satélites se rompen, formando un anillo de escombros, lo que hace que aumente el torque Lindblad y el satélite restante es empujado más allá del límite de Roche. Como un bumerán, el satélite oscila de un lado a otro potencialmente durante miles de millones de años.

El régimen de Resortera ocurre cuando el punto síncrono se encuentra dentro del límite fluido de Roche, lo que significa que no hay una órbita estable para un satélite ligeramente-aglomerado. En el borde exterior de los anillos se pueden formar algunos satélites a partir del material del anillo, pero son expulsados ​​del planeta por fuertes torques de Lindblad, hasta llegar a aLind. Todos los satélites que se forman a partir de los anillos expulsados del planeta para siempre, similar al lanzamiento de una piedra utilizando una resortera.

El régimen torque-dependiente es el punto medio entre Bumerán y Resortera. El punto síncrono está entre el límite de Roche y aLind, lo que significa que el satélite puede encontrar una órbita estable dependiendo de la fuerza del torque que actúa sobre él.

Aplicaciones de la clasificación

Figura 3. Algunos objetos del sistema solar y los regímenes donde sus satélites han sido categorizados. El período de rotación y la densidad del satélite determinan el régimen. Figura 2 en el artículo.

Los autores aplican su nuevo esquema de clasificación de satélites al sistema solar, como se muestra en la Figura 3. Los regímenes están determinados por el período de rotación del planeta (que establece el punto síncrono) y la densidad del satélite (que establece el límite de Roche y aLind).

Marte está en el régimen de Bumerán y los autores creen que su luna Fobos se formó a partir de un anillo y finalmente formará un nuevo anillo una vez vuelva a Marte y sus escombros sean esparcidos al atravesar el límite de Roche.

Júpiter y Saturno están en el régimen de Resortera porque giran muy rápido, lo que coloca sus órbitas sincrónicas demasiado cerca para que un satélite pueda sobrevivir. A medida que los satélites se forman, a partir de los anillos exteriores de cualquiera de los planetas, son lanzados hacia órbitas mucho más distantes.

Urano y Neptuno están en el régimen torque-dependiente, lo que significa que la estabilidad de sus satélites depende del equilibrio entre el torque de Lindblad y las fuerzas de marea. Un uso valioso de este sistema de clasificación es buscar exoplanetas como Urano, cuya luna masiva (Miranda) evita que las lunas más pequeñas lleguen a órbitas estables. Si se observa que los exoplanetas están en el régimen torque-dependiente, es probable que tengan satélites y/o anillos, que luego podrían identificarse.

Los autores de este artículo lograron dos objetivos admirables. Crearon un esquema anillo-satélite que captura el importante comportamiento en un sistema complejo, mientras que conservaron la precisión e integridad de las matemáticas detalladas en el sistema.

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