Приливная блокировка между парой со-орбитальных астрономических тел происходит, когда один из объектов достигает состояния, в котором больше нет никаких чистых изменений в скорости его вращения в течение полной орбиты. В случае, когда приливно заблокированное тело обладает синхронным вращением, объекту требуется столько же времени, чтобы обернуться вокруг своей оси, сколько и вокруг своего партнера. Например, одна и та же сторона Луны всегда обращена к Земле , хотя есть некоторая изменчивость, поскольку орбита Луны не идеально круговая. Обычно только спутник приливно заблокирован с большим телом. [1] Однако, если и разница в массе между двумя телами, и расстояние между ними относительно невелики, каждое из них может быть приливно заблокировано другим; это имеет место в случае Плутона и Харона , а также Эриды и Дисномии . Альтернативные названия процесса приливной блокировки — гравитационная блокировка , [2] захваченное вращение и блокировка спин-орбиты .
Эффект возникает между двумя телами, когда их гравитационное взаимодействие замедляет вращение тела до тех пор, пока оно не станет приливно заблокированным. На протяжении многих миллионов лет силы взаимодействия изменяют их орбиты и скорости вращения в результате обмена энергией и рассеивания тепла . Когда одно из тел достигает состояния, в котором больше нет никаких чистых изменений в скорости его вращения в течение полной орбиты, говорят, что оно приливно заблокировано. [3] Объект имеет тенденцию оставаться в этом состоянии, потому что выход из него потребовал бы добавления энергии обратно в систему. Орбита объекта может мигрировать со временем, чтобы отменить приливную блокировку, например, если гигантская планета возмущает объект.
Существует неоднозначность в использовании терминов «приливная блокировка» и «приливное блокирование», поскольку некоторые научные источники используют их для обозначения исключительно синхронного вращения 1:1 (например, Луны), в то время как другие включают несинхронные орбитальные резонансы, при которых нет дальнейшей передачи углового момента в течение одной орбиты (например, Меркурия). [4] В случае Меркурия планета совершает три оборота за каждые два оборота вокруг Солнца, спин-орбитальный резонанс 3:2. В особом случае, когда орбита почти круговая, а ось вращения тела не имеет значительного наклона, как в случае Луны, приливное блокирование приводит к тому, что одно и то же полушарие вращающегося объекта постоянно обращено к своему партнеру. [3] [4] [5] Независимо от того, какое определение приливного блокирования используется, видимое полушарие немного меняется из-за изменений орбитальной скорости заблокированного тела и наклона его оси вращения с течением времени.
Рассмотрим пару совместно вращающихся объектов, A и B. Изменение скорости вращения, необходимое для приливного захвата тела B с большим телом A, вызвано крутящим моментом , приложенным гравитацией A к выпуклостям, которые оно вызвало на B приливными силами . [6]
Гравитационная сила от объекта A на B будет меняться с расстоянием, будучи наибольшей на ближайшей поверхности к A и наименьшей на самой дальней. Это создает гравитационный градиент через объект B, который слегка исказит его равновесную форму. Тело объекта B станет удлиненным вдоль оси, ориентированной к A, и наоборот, слегка уменьшится в размерах в направлениях, ортогональных к этой оси. Удлиненные искажения известны как приливные выпуклости . (Для твердой Земли эти выпуклости могут достигать смещений примерно до 0,4 м или 1 фута 4 дюйма [7] ) Когда B еще не приливно заблокирован, выпуклости перемещаются по его поверхности из-за орбитальных движений, причем одна из двух «высоких» приливных выпуклостей перемещается близко к точке, где тело A находится над головой. Для крупных астрономических тел, которые из-за самогравитации имеют почти сферическую форму , приливное искажение создает слегка вытянутый сфероид , т. е. аксиально-симметричный эллипсоид , вытянутый вдоль своей большой оси. Более мелкие тела также испытывают искажение, но это искажение менее регулярно.
Материал B оказывает сопротивление этому периодическому изменению формы, вызванному приливной силой. По сути, требуется некоторое время, чтобы переформировать B в форму гравитационного равновесия, к тому времени формирующиеся выпуклости уже будут снесены на некоторое расстояние от оси A–B вращением B. Если смотреть с точки зрения в пространстве, точки максимального расширения выпуклости смещены от оси, ориентированной к A. Если период вращения B короче его орбитального периода, выпуклости переносятся вперед оси, ориентированной к A, в направлении вращения, тогда как если период вращения B длиннее, выпуклости вместо этого отстают.
Поскольку выпуклости теперь смещены от оси A–B, гравитационное притяжение A к массе в них оказывает крутящий момент на B. Крутящий момент на выпуклости, обращенной к A, действует так, чтобы привести вращение B в соответствие с его орбитальным периодом, тогда как «задняя» выпуклость, обращенная от A, действует в противоположном направлении. Однако выпуклость на стороне, обращенной к A, находится ближе к A, чем задняя выпуклость, на расстояние примерно равное диаметру B, и поэтому испытывает немного более сильную гравитационную силу и крутящий момент. Таким образом, чистый результирующий крутящий момент от обеих выпуклостей всегда находится в направлении, которое действует для синхронизации вращения B с его орбитальным периодом, что в конечном итоге приводит к приливному запиранию.
Угловой момент всей системы A–B сохраняется в этом процессе, так что когда B замедляется и теряет вращательный угловой момент, его орбитальный угловой момент увеличивается на аналогичную величину (есть также некоторые меньшие эффекты на вращение A). Это приводит к повышению орбиты B относительно A в тандеме с замедлением его вращения. Для другого случая, когда B начинает вращаться слишком медленно, приливная блокировка одновременно ускоряет его вращение и понижает его орбиту.
Эффект приливной блокировки также испытывает более крупное тело A, но с меньшей скоростью, поскольку гравитационное воздействие B слабее из-за меньшей массы B. Например, вращение Земли постепенно замедляется Луной, на величину, которая становится заметной с течением геологического времени, как показано в ископаемой летописи. [8] Текущие оценки показывают, что это (вместе с приливным влиянием Солнца) помогло удлинить земные сутки с примерно 6 часов до нынешних 24 часов (примерно за 4,5 миллиарда лет). В настоящее время атомные часы показывают, что земные сутки удлиняются в среднем примерно на 2,3 миллисекунды за столетие. [9] При наличии достаточного времени это создало бы взаимную приливную блокировку между Землей и Луной. Продолжительность земных суток увеличилась бы, и продолжительность лунного месяца также увеличилась бы. Звездные сутки Земли в конечном итоге имели бы ту же продолжительность, что и орбитальный период Луны , примерно в 47 раз больше продолжительности земных суток в настоящее время. Однако ожидается, что Земля не будет приливно захвачена Луной до того, как Солнце станет красным гигантом и поглотит Землю и Луну. [10] [11]
Для тел схожего размера эффект может быть сопоставимым по размеру для обоих, и оба могут стать приливно-замкнутыми друг с другом в гораздо более короткие сроки. Примером может служить карликовая планета Плутон и ее спутник Харон . Они уже достигли состояния, когда Харон виден только с одного полушария Плутона и наоборот. [12]
Широко распространенное заблуждение состоит в том, что приливно-отливное тело постоянно повернуто одной стороной к своему хозяину.
— Хеллер и др. (2011) [4]
Для орбит, которые не имеют эксцентриситета, близкого к нулю, скорость вращения имеет тенденцию блокироваться с орбитальной скоростью , когда тело находится в периапсиде , что является точкой самого сильного приливного взаимодействия между двумя объектами. Если у орбитального объекта есть компаньон, это третье тело может заставить скорость вращения родительского объекта колебательным образом изменяться. Это взаимодействие также может приводить к увеличению орбитального эксцентриситета орбитального объекта вокруг первичного — эффект, известный как накачка эксцентриситета. [13]
В некоторых случаях, когда орбита эксцентрична , а приливной эффект относительно слаб, меньшее тело может оказаться в так называемом спин-орбитальном резонансе , а не быть приливно заблокированным. Здесь отношение периода вращения тела к его собственному орбитальному периоду является некоторой простой дробью, отличной от 1:1. Хорошо известным случаем является вращение Меркурия , который заблокирован на своей собственной орбите вокруг Солнца в резонансе 3:2. [2] Это приводит к тому, что скорость вращения примерно соответствует орбитальной скорости вокруг перигелия. [14]
Ожидается, что многие экзопланеты (особенно близкие) будут находиться в резонансах спин-орбита выше 1:1. Например, планета земной группы, похожая на Меркурий, может попасть в резонанс спин-орбита 3:2, 2:1 или 5:2, причем вероятность каждого из них будет зависеть от эксцентриситета орбиты. [15]
Все двадцать известных лун в Солнечной системе , которые достаточно велики, чтобы быть круглыми , приливно захвачены своими главными планетами, потому что они вращаются очень близко друг к другу, а приливная сила быстро увеличивается (как кубическая функция ) с уменьшением расстояния. [16] С другой стороны, большинство нерегулярных внешних спутников планет -гигантов (например, Феба ), которые вращаются гораздо дальше, чем крупные известные луны, не захвачены приливно. [ требуется ссылка ]
Плутон и Харон являются экстремальным примером приливного захвата. Харон является относительно большим спутником по сравнению со своим основным спутником и также имеет очень близкую орбиту . Это приводит к тому, что Плутон и Харон взаимно захвачены приливным захватом. Другие спутники Плутона не захвачены приливным захватом; Стикс , Никс , Кербер и Гидра вращаются хаотично из-за влияния Харона. [17] Аналогично, Эрида и Дисномия взаимно захвачены приливным захватом. [18] Орк и Вант также могут быть взаимно захвачены приливным захватом, но данные не являются окончательными. [19]
Ситуация приливного захвата для лун астероидов в значительной степени неизвестна, но ожидается, что близко вращающиеся по орбите двойные звезды будут приливно захвачены [ необходима ссылка ], а также контактные двойные звезды .
Вращение и орбитальные периоды Луны Земли приливно заперты друг с другом, поэтому независимо от того, когда Луна наблюдается с Земли, всегда видно одно и то же полушарие Луны. Большая часть обратной стороны Луны не была видна до 1959 года, когда фотографии большей части обратной стороны были переданы с советского космического корабля Луна-3 . [20]
Когда Земля наблюдается с Луны, Земля не кажется движущейся по небу. Она остается на том же месте, показывая почти всю свою поверхность, вращаясь вокруг своей оси. [21]
Несмотря на то, что периоды вращения и орбитального движения Луны точно зафиксированы, около 59 процентов всей поверхности Луны можно увидеть при повторных наблюдениях с Земли из-за явлений либрации и параллакса . Либрации в первую очередь вызваны переменной орбитальной скоростью Луны из-за эксцентриситета ее орбиты: это позволяет видеть с Земли до 6° больше по ее периметру. Параллакс — это геометрический эффект: на поверхности Земли наблюдатели смещены относительно линии, проходящей через центры Земли и Луны; это объясняет разницу в 1° на поверхности Луны, которую можно увидеть по бокам Луны при сравнении наблюдений, сделанных во время восхода и захода Луны. [22]
Некоторое время считалось, что Меркурий находится в синхронном вращении с Солнцем. Это было потому, что всякий раз, когда Меркурий находился в лучшем положении для наблюдения, одна и та же сторона была обращена внутрь. Радиолокационные наблюдения в 1965 году вместо этого показали, что Меркурий имеет резонанс спин-орбита 3:2, вращаясь три раза за каждые два оборота вокруг Солнца, что приводит к одному и тому же расположению в этих точках наблюдения. Моделирование показало, что Меркурий был захвачен в состояние спин-орбита 3:2 очень рано в своей истории, вероятно, в течение 10–20 миллионов лет после его образования. [23]
Интервал в 583,92 дня между последовательными близкими сближениями Венеры с Землей равен 5,001444 венерианских солнечных суток, делая примерно одно и то же лицо видимым с Земли при каждом близком сближении. Возникла ли эта связь случайно или является результатом некоего приливного замыкания с Землей, неизвестно. [24]
Экзопланета Проксима Центавра b, открытая в 2016 году и вращающаяся вокруг Проксимы Центавра , почти наверняка находится в приливном захвате, проявляя либо синхронизированное вращение, либо резонанс спин-орбита 3:2, как у Меркурия. [25]
Одной из форм гипотетических приливно-замкнутых экзопланет являются планеты-глаза , которые в свою очередь делятся на «горячие» и «холодные» планеты-глаза. [26] [27]
Ожидается, что близкие двойные звезды во всей Вселенной будут приливно захвачены друг другом, и экзопланеты, которые, как было обнаружено, вращаются вокруг своих главных звезд очень близко, также считаются приливно захваченными ими. Необычным примером, подтвержденным MOST , может быть Tau Boötis , звезда, которая, вероятно, приливно захвачена своей планетой Tau Boötis b . [28] Если это так, то приливная блокировка почти наверняка взаимна. [29] [30]
Оценку времени, необходимого для того, чтобы тело стало приливно-отливным, можно получить с помощью следующей формулы: [31]
где
и , как правило, очень плохо известны, за исключением Луны, которая имеет . Для действительно грубой оценки обычно берут (возможно, консервативно, давая завышенные оценки времени блокировки), и
где
Даже зная размер и плотность спутника, остается много параметров, которые необходимо оценить (особенно ω , Q и μ ), так что любые полученные расчетные времена блокировки, как ожидается, будут неточными, даже с точностью до десяти. Кроме того, во время фазы приливной блокировки большая полуось могла значительно отличаться от наблюдаемой в настоящее время из-за последующего приливного ускорения , и время блокировки чрезвычайно чувствительно к этому значению.
Поскольку неопределенность настолько высока, приведенные выше формулы можно упростить, чтобы получить менее громоздкую. Предположив, что спутник сферический, и разумно предположить, что один оборот каждые 12 часов в исходном незаблокированном состоянии (большинство астероидов имеют периоды вращения от примерно 2 часов до примерно 2 дней)
с массами в килограммах, расстояниями в метрах и ньютонами на квадратный метр; можно приблизительно принять как 3 × 1010 Н/м 2 для скальных объектов и 4 × 109 Н/м 2 для обледенелых.
Существует чрезвычайно сильная зависимость от большой полуоси .
Для синхронизации основного тела со спутником, как в случае Плутона, параметры спутника и основного тела можно поменять местами.
Один из выводов заключается в том, что при прочих равных условиях (таких как и ), большая луна будет блокироваться быстрее, чем меньшая луна на том же орбитальном расстоянии от планеты, поскольку растет как куб радиуса спутника . Возможным примером этого является система Сатурна, где Гиперион не заблокирован приливным образом, тогда как более крупный Япет , который вращается на большем расстоянии, заблокирован. Однако это не однозначно, поскольку Гиперион также испытывает сильное воздействие от близлежащего Титана , что заставляет его вращение быть хаотичным.
Вышеприведенные формулы для временной шкалы блокировки могут быть неверными на порядки, поскольку они игнорируют частотную зависимость . Что еще важнее, они могут быть неприменимы к вязким двойным звездам (двойным звездам или двойным астероидам, которые являются щебнем), поскольку динамика спин-орбиты таких тел определяется в основном их вязкостью, а не жесткостью. [33]
Все тела, представленные ниже, приливно-отливно захвачены, и все, кроме Меркурия, более того, находятся в синхронном вращении. (Меркурий находится в приливно-отливном захвачении, но не в синхронном вращении.)
Материнский орган | Приливно-синхронизированные спутники [34] |
---|---|
Солнце | Меркурий [35] [36] [23] (спин-орбитальный резонанс 3:2) |
Земля | Луна [37] |
Марс | Фобос [38] · Деймос [39] |
Юпитер | Метида [40] · Адрастея · Амальтея [40] · Фива [40] · Ио · Европа · Ганимед · Каллисто |
Сатурн | Пан · Атлас · Прометей · Пандора · Эпиметей · Янус · Мимас · Энцелад [41] · Телесто · Тетис [41] · Калипсо · Диона [41] · Рея [41] · Титан · Япет [41] |
Уран | Миранда · Ариэль · Умбриэль · Титания · Оберон [42] |
Нептун | Протей [43] · Тритон [38] |
Плутон | Харон (взаимно запертый) [12] |
Эрис | Дисномия (взаимно заблокированная) [18] |
На основе сравнения вероятного времени, необходимого для блокировки тела на его основной планете, и времени, которое оно находится на своей нынешней орбите (сравнимо с возрастом Солнечной системы для большинства планетарных лун), считается, что ряд лун заблокированы. Однако их вращения неизвестны или известны недостаточно. Это: