Blokowanie pływów -Tidal locking

Blokowanie pływów powoduje, że Księżyc obraca się wokół własnej osi mniej więcej w tym samym czasie, ile zajmuje okrążenie Ziemi . Z wyjątkiem libracji , powoduje to, że Księżyc utrzymuje tę samą twarz zwróconą w kierunku Ziemi, jak widać na lewym rysunku. (Księżyc jest pokazany w widoku biegunowym i nie jest narysowany w skali.) Gdyby Księżyc w ogóle się nie obracał, na przemian pokazywałby swoją bliższą i dalszą stronę Ziemi, poruszając się wokół Ziemi po orbicie, jak pokazano po prawej stronie postać.
Widok z boku na układ Pluton-Charon. Pluton i Charon są ze sobą pływowo połączeni. Charon jest na tyle masywny, że barycentrum systemu Plutona leży poza Plutonem; dlatego Pluton i Charon są czasami uważani za system binarny.

Blokowanie pływów (alternatywne nazwy: blokowanie grawitacyjne , przechwycony obrót i blokowanie spin-orbita ) ma miejsce, gdy dwa ciała astronomiczne krążące wokół siebie obracają się tak, że zawsze są skierowane w tę samą orientację. W przypadku, gdy pływowo zablokowane ciało posiada synchroniczny obrót , obiektowi zajmuje tyle samo czasu, aby obracać się wokół własnej osi, jak obracać się wokół swojego partnera. Na przykład ta sama strona Księżyca jest zawsze zwrócona w stronę Ziemi , chociaż istnieje pewna zmienność , ponieważ orbita Księżyca nie jest idealnie kołowa. Zwykle tylko satelita jest pływowo zablokowany na większym ciele. Jednakże, jeśli zarówno różnica masy między dwoma ciałami, jak i odległość między nimi są stosunkowo małe, każde z nich może być pływowo zablokowane względem drugiego; tak jest w przypadku Plutona i Charona .

Efekt powstaje między dwoma ciałami, gdy ich oddziaływanie grawitacyjne spowalnia ruch obrotowy ciała, aż zostanie ono zablokowane pływowo. Przez wiele milionów lat oddziaływanie wymusza zmiany ich orbit i szybkości rotacji w wyniku wymiany energii i rozpraszania ciepła . Kiedy jedno z ciał osiąga stan, w którym nie ma już żadnej zmiany w jego szybkości rotacji w trakcie pełnej orbity, mówi się, że jest zablokowane pływowo. Obiekt ma tendencję do pozostawania w tym stanie, ponieważ pozostawienie go wymagałoby dodania energii z powrotem do systemu. Orbita obiektu może migrować w czasie, aby usunąć blokadę pływową, na przykład, jeśli gigantyczna planeta zakłóci obiekt.

Nie każdy przypadek blokowania pływów wiąże się z rotacją synchroniczną. Na przykład w przypadku Merkurego ta zablokowana pływowo planeta wykonuje trzy obroty na każde dwa obroty wokół Słońca, co stanowi rezonans spinowo-orbitalny 3:2 . W szczególnym przypadku, gdy orbita jest prawie okrągła, a oś obrotu ciała nie jest znacząco nachylona, ​​tak jak w przypadku Księżyca, blokowanie pływów powoduje, że ta sama półkula obracającego się obiektu jest stale zwrócona do swojego partnera. Jednak w tym przypadku dokładnie ta sama część ciała nie zawsze jest zwrócona w stronę partnera na wszystkich orbitach. Mogą wystąpić pewne przesunięcia z powodu zmian prędkości orbitalnej zablokowanego ciała i nachylenia jego osi obrotu.

Mechanizm

Jeśli wybrzuszenia pływowe na ciele (zielone) są niewspółosiowe z główną osią (czerwony), siły pływowe (niebieskie) wywierają na to ciało wypadkowy moment obrotowy, który skręca ciało w kierunku ponownego wyrównania

Rozważmy parę współorbitujących obiektów, A i B. Zmiana prędkości obrotowej niezbędna do pływowego związania ciała B z większym ciałem A jest spowodowana momentem obrotowym przyłożonym przez grawitację A na wybrzuszenia, które wywołał na B przez siły pływowe .

Siła grawitacyjna od obiektu A do obiektu B będzie się zmieniać wraz z odległością, przy czym jest największa na najbliższej powierzchni obiektu A, a najmniej na najdalszej. To tworzy gradient grawitacyjny na obiekcie B, który nieznacznie zniekształci jego kształt równowagi . Korpus obiektu B zostanie wydłużony wzdłuż osi zorientowanej w kierunku A i odwrotnie, nieznacznie zmniejszony wymiar w kierunkach prostopadłych do tej osi. Wydłużone zniekształcenia znane są jako wybrzuszenia pływowe . (W przypadku stałej Ziemi wybrzuszenia te mogą osiągnąć przemieszczenie do około 0,4 m lub 1 ft 4 cale.) Gdy B nie jest jeszcze zablokowana pływowo, wybrzuszenia przemieszczają się po jej powierzchni z powodu ruchów orbitalnych, przy czym jedno z dwóch „wysokich wypukłości pływowe zbliżające się do punktu, w którym ciało A znajduje się nad głową. W przypadku dużych ciał astronomicznych, które są prawie kuliste z powodu własnej grawitacji, zniekształcenie pływowe powoduje powstanie nieco wydłużonej sferoidy , tj. osiowo symetrycznej elipsoidy , która jest wydłużona wzdłuż swojej głównej osi. Mniejsze ciała również doświadczają zniekształceń, ale to zniekształcenie jest mniej regularne.

Materiał B wywiera opór na to okresowe przekształcanie spowodowane siłą pływową. W efekcie potrzeba trochę czasu, aby przekształcić B do kształtu równowagi grawitacyjnej, w którym to czasie tworzące się wybrzuszenia zostały już przeniesione na pewną odległość od osi A-B przez obrót B. Widziane z punktu obserwacyjnego w przestrzeni, punkty maksymalnego rozciągnięcia zgrubienia są przesunięte względem osi zorientowanej w kierunku A. Jeżeli okres obrotu B jest krótszy niż jego okres orbitalny, zgrubienia są przenoszone do przodu względem osi zorientowanej w kierunku A w kierunku obrotu , natomiast jeśli okres rotacji B jest dłuższy, wybrzuszenia pozostają w tyle.

Ponieważ wybrzuszenia są teraz przesunięte z osi A-B, przyciąganie grawitacyjne A wywierające na nich masę wywiera moment obrotowy na B. Moment obrotowy na wybrzuszeniu skierowanym w stronę A działa tak, aby obrót B był zgodny z jego okresem orbitalnym, podczas gdy „ z tyłu” wybrzuszenie, które jest odwrócone od A, działa w przeciwnym sensie. Jednak wybrzuszenie po stronie A jest bliższe A niż wybrzuszenie tylne o odległość około średnicy B, a zatem doświadcza nieco silniejszej siły grawitacji i momentu obrotowego. Wynikowy moment obrotowy netto z obu wybrzuszeń jest zatem zawsze w kierunku, który działa w celu zsynchronizowania obrotu B z jego okresem orbitalnym, prowadząc ostatecznie do blokady pływowej.

Zmiany orbitalne

W (1) satelita krąży w tym samym kierunku (ale wolniej) niż obrót jego ciała macierzystego. Bliższe wybrzuszenie pływowe (czerwone) przyciąga satelitę bardziej niż dalsze wybrzuszenie (niebieskie), spowalniając obrót rodzica, jednocześnie przekazując dodatnią siłę netto (kropkowane strzałki pokazujące siły rozłożone na ich składowe) w kierunku orbity, unosząc go w wyższe orbita (przyspieszenie pływowe).
W (2) przy odwróconym obrocie, siła wypadkowa przeciwstawia się kierunkowi orbity satelity, obniżając go (deceleracja pływowa).
Blokowanie pływów
Jeśli częstotliwość obrotowa jest większa niż częstotliwość orbitalna, powstaje mały moment obrotowy przeciwdziałający obrotom, ostatecznie blokujący częstotliwości (sytuacja zaznaczona na zielono)

W tym procesie zachowywany jest moment pędu całego układu A–B, tak że gdy B zwalnia i traci obrotowy moment pędu, jego orbitalny moment pędu jest zwiększany o podobną wartość (istnieją też mniejsze efekty na rotację A). Powoduje to podniesienie orbity B wokół punktu A w połączeniu z jego spowolnieniem rotacyjnym. W innym przypadku, w którym B zaczyna się obracać zbyt wolno, blokowanie pływów przyspiesza jego obrót i obniża jego orbitę.

Blokowanie większego korpusu

Efekt blokowania pływów jest również odczuwany przez większe ciało A, ale w wolniejszym tempie, ponieważ efekt grawitacyjny B jest słabszy ze względu na mniejszą masę B. Na przykład rotacja Ziemi jest stopniowo spowalniana przez Księżyc w stopniu, który staje się zauważalny w czasie geologicznym, jak ujawniono w zapisie kopalnym. Aktualne szacunki wskazują, że to (wraz z pływowym wpływem Słońca) pomogło wydłużyć ziemski dzień z około 6 godzin do obecnych 24 godzin (ponad ≈ ⁠ 4½ miliarda lat). Obecnie zegary atomowe pokazują, że dzień Ziemi wydłuża się średnio o około 2,3 milisekundy na wiek. Mając wystarczająco dużo czasu, stworzyłoby to wzajemne blokowanie pływowe między Ziemią a Księżycem. Wydłużyłaby się długość dnia ziemskiego, a także wydłużyłaby się długość miesiąca księżycowego . Ziemski dzień gwiezdny miałby ostatecznie taką samą długość jak okres orbitalny Księżyca , około 47 razy dłuższy niż obecny dzień na Ziemi. Jednak nie oczekuje się, że Ziemia zostanie pływowo związana z Księżycem, zanim Słońce stanie się czerwonym olbrzymem i pochłonie Ziemię i Księżyc.

W przypadku ciał o podobnej wielkości efekt może być porównywalnej wielkości dla obu i oba mogą zostać pływowo ze sobą powiązane w znacznie krótszej skali czasowej. Przykładem jest planeta karłowata Pluton i jej satelita Charon . Osiągnęli już stan, w którym Charon jest widoczny tylko z jednej półkuli Plutona i odwrotnie.

Ekscentryczne orbity

Szeroko rozpowszechnionym błędnym przekonaniem jest to, że pływowo zamknięte ciało na stałe zwraca się jedną stroną do swojego gospodarza.

—  Heller i in. (2011)

W przypadku orbit, które nie mają ekscentryczności bliskiej zeru, prędkość rotacji ma tendencję do blokowania się z prędkością orbitalną , gdy ciało znajduje się w perycentrum , które jest punktem najsilniejszej interakcji pływowej między dwoma obiektami. Jeśli orbitujący obiekt ma towarzysza, to trzecie ciało może powodować wahania prędkości obrotowej obiektu macierzystego w sposób oscylacyjny. Ta interakcja może również powodować wzrost ekscentryczności orbity obiektu na orbicie wokół głównego – efekt znany jako pompowanie ekscentryczności.

W niektórych przypadkach, gdy orbita jest ekscentryczna , a efekt pływowy jest stosunkowo słaby, mniejsze ciało może wpaść w tak zwany rezonans spinowo-orbitalny , zamiast być zablokowanym pływowo. Tutaj stosunek okresu rotacji ciała do jego własnego okresu orbitalnego jest prostym ułamkiem innym niż 1:1. Dobrze znanym przypadkiem jest obrót Merkurego , który jest zablokowany na własnej orbicie wokół Słońca w rezonansie 3:2. Powoduje to, że prędkość obrotowa z grubsza odpowiada prędkości orbitalnej wokół peryhelium.

Oczekuje się, że wiele egzoplanet (zwłaszcza te znajdujące się blisko siebie) będzie w rezonansach spinowo-orbitalnych wyższych niż 1:1. Ziemska planeta podobna do Merkurego może, na przykład, zostać uchwycona w rezonansie spinowo-orbitalnym 3:2, 2:1 lub 5:2, z prawdopodobieństwem, że każda z nich będzie zależna od mimośrodu orbity.

Występowanie

Księżyce

Ze względu na blokadę pływową mieszkańcy korpusu centralnego nigdy nie będą mogli zobaczyć zielonego obszaru satelity.

Wszystkie dziewiętnaście znanych księżyców w Układzie Słonecznym , które są wystarczająco duże, aby być okrągłymi , jest pływowo powiązanych ze swoimi gwiazdami, ponieważ krążą bardzo blisko, a siła pływowa rośnie gwałtownie (jako funkcja sześcienna ) wraz ze zmniejszaniem się odległości. Z drugiej strony, nieregularne zewnętrzne satelity gazowych olbrzymów (np . Phoebe ), które krążą znacznie dalej niż duże, dobrze znane księżyce, nie są zablokowane pływowo.

Pluton i Charon są skrajnym przykładem śluzy pływowej. Charon jest stosunkowo dużym księżycem w porównaniu z jego pierwotnym księżycem, a także ma bardzo bliską orbitę . Powoduje to, że Pluton i Charon są wzajemnie zablokowani. Inne księżyce Plutona nie są zablokowane pływowo; Styks , Nix , Kerberos i Hydra obracają się chaotycznie pod wpływem Charona.

Sytuacja blokowania pływów dla księżyców asteroid jest w dużej mierze nieznana, ale oczekuje się, że układy podwójne krążące blisko orbity będą zablokowane pływowo, podobnie jak układy podwójne kontaktowe .

Księżyc Ziemi

Ponieważ Księżyc Ziemi jest zablokowany pływowo 1:1, tylko jedna strona jest widoczna z Ziemi .

Okresy rotacji i orbity Księżyca Ziemi są ze sobą powiązane pływowo, więc bez względu na to, kiedy Księżyc jest obserwowany z Ziemi, zawsze widoczna jest ta sama półkula Księżyca. Niewidoczna strona Księżyca była widoczna dopiero w 1959 roku, kiedy to zdjęcia większości odległej strony zostały przesłane z radzieckiego statku kosmicznego Luna 3 .

Kiedy Ziemia jest obserwowana z Księżyca, wydaje się, że Ziemia nie przesuwa się po niebie, ale wydaje się pozostawać w tym samym miejscu, obracając się wokół własnej osi.

Pomimo tego, że okresy rotacji i orbity Księżyca są dokładnie zablokowane, około 59 procent całkowitej powierzchni Księżyca można zobaczyć przy powtarzanych obserwacjach z Ziemi, ze względu na zjawisko libracji i paralaksy . Libracje są powodowane głównie przez zmienną prędkość orbitalną Księżyca spowodowaną ekscentrycznością jego orbity: pozwala to na dostrzeżenie z Ziemi do około 6° więcej na jego obwodzie. Paralaksa jest efektem geometrycznym: na powierzchni Ziemi jesteśmy odsunięci od linii przechodzącej przez środki Ziemi i Księżyca, dzięki czemu możemy obserwować nieco (około 1°) więcej wokół boku Księżyca, gdy jest on na nasz lokalny horyzont.

Planety

Przez pewien czas sądzono, że Merkury obraca się synchronicznie ze Słońcem. Stało się tak, ponieważ zawsze, gdy Merkury znajdował się w najlepszym miejscu do obserwacji, ta sama strona była skierowana do wewnątrz. Obserwacje radarowe w 1965 r. wykazały natomiast, że Merkury ma rezonans spinowo-orbitalny 3:2, obracając się trzy razy na każde dwa obroty wokół Słońca, co skutkuje tym samym położeniem w tych punktach obserwacyjnych. Modelowanie wykazało, że Merkury został uchwycony w stanie spinowo-orbitalnym 3:2 na bardzo wczesnym etapie swojej historii, w ciągu 20 (a bardziej prawdopodobne nawet 10) milionów lat po jego utworzeniu.

Odstęp 583,92 dni między kolejnymi bliskimi zbliżeniami Wenus do Ziemi wynosi 5,001444 wenusjańskich dni słonecznych, co sprawia, że ​​w przybliżeniu ta sama ściana jest widoczna z Ziemi przy każdym bliskim zbliżeniu. Nie wiadomo, czy ten związek powstał przypadkowo, czy jest wynikiem pewnego rodzaju blokady pływowej z Ziemią.

Egzoplaneta Proxima Centauri b , odkryta w 2016 roku, która krąży wokół Proxima Centauri , jest prawie na pewno zablokowana pływowo, co wyraża albo zsynchronizowany obrót, albo rezonans spinowo-orbitalny 3:2, jak w przypadku Merkurego.

Jedną z form hipotetycznych, zamkniętych pływowo egzoplanetplanety gałek ocznych , które z kolei dzielą się na "gorące" i "zimne" planety gałek ocznych.

Gwiazdy

Oczekuje się, że bliskie gwiazdy podwójne w całym wszechświecie będą ze sobą powiązane pływowo, a planety pozasłoneczne , które odkryto, że krążą bardzo blisko swoich gwiazd pierwotnych, są również uważane za połączone pływowo z nimi. Niezwykłym przykładem, potwierdzonym przez MOST , może być Tau Boötis , gwiazda, która prawdopodobnie jest zablokowana pływowo przez swoją planetę Tau Boötis b . Jeśli tak, blokada pływowa jest prawie na pewno wzajemna.

Skala czasu

Oszacowanie czasu, w którym ciało zostaje zablokowane pływowo, można uzyskać za pomocą następującego wzoru:

gdzie

  • to początkowa prędkość wirowania wyrażona w radianach na sekundę ,
  • jest półoś wielką ruchu satelity wokół planety (podaną przez średnią z odległości perycentrum i apocentrum ),
  • jest momentem bezwładności satelity, gdzie jest masą satelity i jest średnim promieniem satelity,
  • jest funkcją rozpraszania satelity,
  • jest stałą grawitacyjną ,
  • jest masą planety (tj. obiektu na orbicie) i
  • to pływowa liczba Miłości satelity.

i są ogólnie bardzo słabo znane, z wyjątkiem Księżyca, który ma . Aby uzyskać naprawdę przybliżone oszacowanie, powszechnie przyjmuje się (być może zachowawczo, dając zawyżone czasy blokowania) i

gdzie

  • jest gęstość satelity
  • jest grawitacja powierzchniowa satelity
  • jest sztywność satelity. Można to z grubsza przyjąć jako 3 × 1010  N·m- 2 dla obiektów skalistych i 4 × 109  Nm- 2 dla lodowych.

Nawet znajomość rozmiaru i gęstości satelity pozostawia wiele parametrów, które muszą być oszacowane (zwłaszcza ω , Q i μ ), tak że wszelkie uzyskane czasy blokowania mogą być niedokładne, nawet do dziesiętnych. Ponadto, podczas fazy blokowania pływów, wielka półoś mogła znacznie różnić się od tej obserwowanej obecnie z powodu późniejszego przyspieszenia pływów , a czas blokowania jest niezwykle wrażliwy na tę wartość.

Ponieważ niepewność jest tak duża, powyższe wzory można uprościć, aby uzyskać nieco mniej uciążliwe. Zakładając, że satelita jest kulisty, i rozsądne jest odgadnięcie jednego obrotu co 12 godzin w początkowym stanie niezablokowanym (większość asteroid ma okresy rotacji od około 2 godzin do około 2 dni)

z masami w kilogramach, odległościami w metrach iw niutonach na metr kwadratowy; można z grubsza przyjąć jako 3 × 1010  N·m- 2 dla obiektów skalistych i 4 × 109  Nm- 2 dla lodowych.

Istnieje niezwykle silna zależność od wielkiej półosi .

W celu zablokowania korpusu głównego do jego satelity, tak jak w przypadku Plutona, parametry satelity i korpusu głównego można zamienić.

Jednym z wniosków jest to, że inne czynniki są równe (takie jak i ), duży księżyc zablokuje się szybciej niż mniejszy księżyc w tej samej odległości orbitalnej od planety, ponieważ rośnie jako sześcian o promieniu satelity . Możliwym tego przykładem jest system Saturna, gdzie Hyperion nie jest zablokowany pływowo, podczas gdy większy Japetus , który krąży w większej odległości, jest. Nie jest to jednak jednoznaczne, ponieważ Hyperion doświadcza również silnej jazdy z pobliskiego Tytana , co wymusza chaotyczne obracanie się.

Powyższe wzory na skalę czasową blokowania mogą być różne o rzędy wielkości, ponieważ ignorują zależność częstotliwości . Co ważniejsze, mogą nie mieć zastosowania do lepkich układów podwójnych (gwiazd podwójnych lub podwójnych asteroid będących gruzami), ponieważ dynamika spinowo-orbitalna takich ciał jest definiowana głównie przez ich lepkość, a nie sztywność.

Lista znanych ciał zamkniętych pływowo

Układ Słoneczny

Organ rodzicielski Satelity zablokowane pływowo
Słońce Merkury (rezonans spinowo-orbitalny 3:2)
Ziemia Księżyc
Mars Fobos · Deimos
Jowisz Metis · Adrastea · Amaltea · Tebe · Io · Europa · Ganimedes · Kallisto
Saturn Pan · Atlas · Prometeusz · Pandora · Epimeteusz · Janus · Mimas · Enceladus · Telesto · Tetyda · Kalipso · Dione · Rea · Tytan · Iapetus
Uran Miranda · Ariel · Umbriel · Titania · Oberon
Neptun Proteusz · Tryton
Pluton Charon (Pluton jest związany z Charonem)

Extra-słoneczna

  • Najbardziej skuteczne metody wykrywania egzoplanet (tranzyty i prędkości radialne) mają wyraźne nastawienie obserwacyjne, sprzyjające wykrywaniu planet w pobliżu gwiazdy; w ten sposób 85% wykrytych egzoplanet znajduje się w strefie blokowania pływów, co utrudnia oszacowanie rzeczywistego występowania tego zjawiska. Wiadomo, że Tau Boötis jest związany z krążącą blisko orbity gigantyczną planetą Tau Boötis b .

Ciała, które prawdopodobnie zostaną zablokowane

Układ Słoneczny

Na podstawie porównania między prawdopodobnym czasem potrzebnym do zablokowania ciała w jego pierwotnym kształcie a czasem, w jakim znajdowało się ono na swojej obecnej orbicie (porównywalnym z wiekiem Układu Słonecznego dla większości księżyców planetarnych), uważa się, że pewna liczba księżyców jest zablokowana . Jednak ich rotacje nie są znane lub niewystarczająco znane. To są:

Prawdopodobnie zablokowana na Saturnie

Prawdopodobnie zablokowana do Urana

Prawdopodobnie przywiązany do Neptuna

Pozasłoneczny

Zobacz też

Bibliografia