¿Pueden las lunas tener lunas?

«Earthrise» modificada.
Crédito: NASA.

Este artículo presenta el comentario por Ciara Johnson, en un formato breve, asequible para estudiantes y público interesado, del paper siguiente.

Título: ¿Pueden las lunas tener lunas?

Autores: Jan-Vincent Harre, René Heller.

Institución del primer autor: Observatorios de la Institución Carnegie de Washington, Pasadena, California, Estados Unidos.

Estado: Publicado en ‘Monthly Notices of the Royal Astronomical Society’, [acceso abierto].

Nuestro Sistema Solar alberga más de 200 lunas (¡y contando!). Sin embargo, a pesar de siglos de observaciones, todavía estamos por encontrar una luna con una luna propia. Los autores del artículo de hoy investigan qué necesitaría una luna para albergar su propia luna o una sub luna.

Condiciones para que una sub luna orbite de manera estable una luna

Una condición para que una luna orbite de manera estable un planeta, o en este caso, otra luna, es la siguiente. Debe existir en una región delicada entre la esfera de Hill del planeta y el límite de Roche. Esta área se puede considerar similar a la zona habitable de un planeta. Esto es, un rango establecido de radios en el espacio alrededor de un cuerpo celeste. 

La esfera de Hill es un área especial alrededor del cuerpo anfitrión. Es donde la fuerza gravitacional dominante en el satélite proviene del propio cuerpo anfitrión, en lugar de cualquier otro objeto extraño. Para ponerlo en el contexto de nuestro sistema Sol-Tierra-Luna, la Luna está en la esfera de Hill de la Tierra. Eso significa que la atracción gravitacional de la Tierra es más fuerte en la Luna que la atracción gravitacional del Sol. 

El límite de Roche es la distancia mínima a la que un satélite puede orbitar sin ser destrozado por las fuerzas de marea. Las fuerzas de marea son el resultado de la gravedad que tira del lado cercano de un objeto más fuerte que del lado lejano del mismo. Es probable que los anillos alrededor de Saturno sean restos de lunas que se acercaron demasiado al planeta y fueron destrozadas por estas fuerzas de marea.

Figura 1. Esfera de Hill de la Tierra y límite de Roche. 
Crédito de la imagen: ScienceABC.

Para albergar sub lunas, las lunas deben estar a una gran distancia de su planeta anfitrión.

La Figura 1 ilustra el rango de posibles órbitas de la Luna entre la esfera Hill de la Tierra y el límite de Roche. Los objetos más grandes tienen esferas de Hill más grandes, ya que tienen una influencia gravitacional más fuerte. Esto significa que hay un rango mayor para que las lunas potenciales tengan órbitas estables. ¡Es por eso que gigantes gaseosos como Júpiter y Saturno pueden albergar tantas lunas! Para que las lunas alberguen sub lunas, necesitan estar a una gran distancia de su planeta anfitrión. Eso es así para que la atracción gravitacional de su planeta anfitrión sea más débil. De lo contrario, la esfera Hill de la luna sería demasiado pequeña. Este es el problema al que se enfrentan las lunas de Urano y Neptuno, ya que todas orbitan demasiado cerca de su planeta anfitrión.

El objetivo de los autores del paper era trazar un mapa del rango de radios en los que una sub luna tendría una órbita estable. Esto es entre las fuerzas de marea presentes en un sistema planeta-luna-sub luna. 

Trabajando con las lunas de nuestro Sistema Solar

La Figura 2 observa las lunas de nuestro Sistema Solar. Están desglosadas por planeta y representadas por el tamaño de la luna frente a su distancia de su planeta anfitrión. El área sombreada en la esquina superior derecha es la zona en donde la luna podría albergar de manera estable una sub luna. Esta última con un radio de 10 km, marcada con una línea oscura en la figura. El límite para las sub lunas con radios de 5 km (línea de puntos) y 20 km (línea de puntos) también están marcados. Esta zona se calculó relacionando una masa fija de una sub luna teórica con las propiedades clave de la luna anfitriona. Una de estas propiedades clave es el factor de calidad de las mareas de la luna, Qmoon . Éste es un indicador de cómo un cuerpo / densidad específicos reacciona a las fuerzas de las mareas. Los cuerpos rocosos generalmente tienen una  Qmoon = 100 mientras que las estrellas tienen alrededor de 106.

Figura 2. Las lunas de nuestro Sistema Solar. La región gris es donde una sub luna de 10 km de radio podría tener una órbita estable. 
Crédito: Figura 1 del paper.

De todas las lunas trazadas, las únicas capaces de albergar sublunas fueron Calisto (Júpiter), Titán y Japeto (Saturno) y la propia Luna de la Tierra. Los autores también observaron específicamente el exoplaneta Kepler-1625b, recientemente descubierto, y encontraron que su luna también era capaz de albergar una sub luna. 

Estudiando Kepler-1625b

La Figura 3 se enfoca específicamente en Kepler-1625b. Considera cómo el tamaño potencial de una sub luna y el factor de calidad de marea Qmoon  afectarían su órbita alrededor de la luna. En el gráfico de la izquierda, las líneas coloreadas indican sub lunas con la masa de cuerpos celestes específicos. Las sub lunas de estas masas tendrían una órbita estable si caen hacia la derecha y por encima de la curva indicada. En el gráfico de la derecha, las líneas de colores indican diferentes valores de Qmoon . El gráfico de la izquierda mantuvo Qmoon constante en 1000, mientras que el derecho mantuvo la masa constante igual a la de Ceres. Las cifras revelan que las sub lunas más pequeñas son estables en un rango más amplio de tamaños de luna y distancias de su planeta anfitrión. Además indican que un factor Qmoon más grande es igual a un «espacio de supervivencia» más grande.

Figura 3. Cómo el tamaño de la subluna (izquierda) y el valor de Qmoon  (derecha) afectan las órbitas potenciales en las que una luna podría albergar una subluna. 
Crédito: Figura 2 del paper.

¿Porqué no hemos visto sub lunas?

La pregunta sigue siendo: si todas estas lunas son capaces de albergar sub lunas, ¿por qué no las tienen? 

Hay varias razones por las que esto podría ser así. 

Para empezar, hay factores que podrían causar inestabilidad en las órbitas además de lo que se tuvo en cuenta en la ecuación derivada del autor. En el ejemplo específico de nuestra Luna, las órbitas alrededor de la Luna están sujetas a perturbaciones causadas por el Sol y la Tierra. Estas perturbaciones restringen el posible rango en el que una sub luna podría orbitar la luna de manera estable. 

Además, las sub lunas ya podrían haberse formado alrededor de las lunas mencionadas anteriormente, pero después haberse eliminado. Una teoría para esto radica en la luna Jápeto, que tiene una cresta significativa a lo largo de su ecuador. Se teoriza que una colisión con Jápeto produjo una sub luna. Los escombros de la colisión fueron empujados por las mareas hacia la luna (causando la cresta). A su vez la sub luna misma fue empujada hacia afuera.

Conclusiones

En resumen, es más probable que una sub luna tenga una órbita estable alrededor de grandes lunas que se encuentran distantes de su planeta anfitrión. Hay muchos factores que podrían afectar el espacio de supervivencia de una sub luna. Por ello, aunque todavía no hemos visto ninguna sub luna, eso no significa que no sea posible. ¡Incluso podríamos ver algunas en un futuro cercano!

Fuente: astrobites.

Artículo original: «A Moon’s Moon?!«. Ciara Johnson.  Edited by David Gooding, Haley Wahl.  Feb 15, 2021.

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Un reciente posible descubrimiento

Representación artística de una luna orbitando un planeta gigante. Crédito: Sci-News.com.

Las lunas en nuestro Sistema Solar son muy comunes. De hecho, vemos uno todas las noches. También sabemos sobre Fobos y Deimos , los mundos oceánicos de Júpiter e incluso sobre el metano en la mayor de las lunas de Saturno . La idea de que un planeta tenga una luna es tan natural para nosotros: hemos observado muchas de ellas en el Sistema Solar. 

Sin embargo, ¿los planetas en otros sistemas planetarios (los llamamos ‘exoplanetas’) tienen lunas? Bueno, no sabemos si hemos observado alguna todavía. En la literatura, solo hay una » exoluna » (luna de un planeta en un sistema planetario más allá del nuestro). Un estudio reciente afirma haber encontrado seis nuevas exolunas. Este es un gran problema. Si se valida, tal descubrimiento representaría un gran paso adelante en la detección de exolunas. En nuestro Sistema Solar, los estudios de las lunas han podido decirnos mucho sobre la formación del sistema y la composición de los planetas. También nos proporcionó pistas potenciales sobre cómo comenzó la vida en la Tierra. Por lo tanto, los descubrimientos de exolunas podrían ayudarnos a comprender los exoplanetas que estamos observando. 

El trabajo siguiente hizo un análisis riguroso de cada uno de estos seis candidatos a exoluna y no concluyó que alguno de ellos fuera una exoluna. 

Sobre Kepler 1625 b

Kepler-1625b y su elusiva exoluna

Comparación entre el sistema Kepler-1625b y el sistema Tierra-Luna. Agrandar imagen. Crédito: NASA/ESA/STScI.

¿Tienen los exoplanetas exo lunas?

Pues con toda seguridad, sí. Sin embargo, confirmar el primer descubrimiento de una exo luna está resultando ser mucho más difícil de lo esperado.

La publicación siguiente lo analiza en detalle.

¿Tenía Jápeto su propia mini luna?

La luna Jápeto de Saturno. Se ve la cresta ecuatorial que le da forma de nuez. Imagen de Iapetus de la nave espacial Cassini-Huygens.
Crédito: NASA / JPL / Instituto de Ciencias Espaciales (SSI).

Existe una nueva teoría de por qué Iapetus, la luna de Saturno, parece una nuez. La luna tiene una gran cresta misteriosa que cubre más del 75 por ciento de su ecuador. Averiguar el motivo de la cresta, dicen los investigadores de la Universidad de Washington en St. Louis, ha sido un hueso duro de roer. Pero proponen que en un momento Jápeto tuvo su propia luna. La órbita de esta mini-luna alrededor de Jápeto se habría descompuesto debido a las interacciones de las mareas con Jápeto. Esas fuerzas habrían desgarrado el sub-satélite, formando un anillo de escombros alrededor de Jápeto que eventualmente golpearía la luna cerca de su ecuador.

Esta no es la propuesta más loca de la historia …

Un primer plano de la cresta de Jápeto. 
En 2007, Cassini voló a unos pocos miles de kilómetros de la superficie de Jápeto para tomar esta espectacular imagen. 
Crédito: NASA / JPL / SSI
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La cresta de Jápeto tiene 100 kilómetros (62 millas) de ancho y alcanza, 20 kilómetros (12 millas) de altura. (El pico del Monte Everest, en comparación, está a 8,8 km (5,5 millas) sobre el nivel del mar). Jápeto en sí tiene 1.470 km de ancho y es la undécima luna más grande del Sistema Solar.

El profesor William McKinnon y su ex estudiante de doctorado, Andrew Dombard, ahora en la Universidad de Illinois en Chicago, tuvieron esta idea.

El artículo siguiente lo desarrolla:

Sobre la importancia de las fuerzas de marea

El caso de Fobos la luna de Marte

Imagen de Fobos mostrando el gran  cráter de impacto Stickney (a la derecha) junto a otros más pequeños.
Observe las ranuras, las líneas que parten del borde del gran cráter Stickney y recorren longitudinalmente la superficie de la luna Fobos de Marte. Una nueva modelización indica que podrían ser producidas por las fuerzas de marea de Marte. Esta es la atracción gravitatoria mutua del planeta y la luna. Inicialmente, los científicos habían pensado que los surcos fueron creados por el impacto masivo que produjo al cráter Stickney. Más información. 
Créditos: NASA / JPL-Caltech / Universidad de Arizona.

Orbitando a sólo 6.000 kilómetros por encima de Marte, Fobos está más cerca de su planeta que cualquier otra luna en el Sistema Solar. La gravedad de Marte está acercando a Fobos, dos metros cada cien años. Los científicos esperan que la luna se resquebraje dentro de entre 30 y 50 millones de años, por el efecto de marea gravitatoria.

Los surcos largos y poco profundos que recubren la superficie de Fobos son probablemente signos tempranos de una falla estructural. En última instancia va a destruir esta luna de Marte. El trabajo siguiente lo expone:

Algún día, Fobos, se deslizará más allá de cierto punto en su órbita degradante y será destrozada por las fuerzas de marea, formando un anillo. 
Esta ilustración muestra a Fobos a mitad de ese proceso, con vistas al Planeta Rojo. 

Crédito: Ron Miller/Astronomy.

¿Porqué la órbita de Fobos va formando una espiral acercándose a Marte?, ¿Existen signos en la superficie de Fobos de marea gravitacional inducida por Marte? ¿Cuál es la naturaleza de Fobos?¿Cuáles son sus posibles orígenes? ¿Cuáles son los esfuerzos a los que está sometida Fobos? ¿Hasta cuándo los soportará?. Estas y otras preguntas más están tratadas en la publicación siguiente:

Curiosidades

Las exolunas y la búsqueda de vida extraterrestre

Representación artística del candidato a exoluna Kepler-1625b-i, el planeta al que está orbitando y la estrella en el centro del sistema estelar. Kepler-1625b-i es el primer candidato a exoluna y, si se confirma, la primera luna que se encuentra fuera del Sistema Solar.
Crédito:
 NASA, ESA.

¿Los planetas albergan vida? ¿O son sus lunas las que tienen más probabilidades de soportar formas de vida extraterrestres? Según un astrofísico, las lunas orbitando planetas fuera de nuestro Sistema Solar podrían darnos pistas sobre el grupo de mundos que pueden albergar vida extraterrestre.

¿De qué lunas estamos hablando?

Las llamadas “exolunas” son muy difíciles de encontrar. Tan difíciles, de hecho, que no hay exolunas confirmadas. Ninguna. Los científicos tienen que localizarlas buscando el efecto que tienen sobre los objetos que los rodean. Sin embargo, el Dr. Phil Sutton, de la Universidad de Lincoln en el Reino Unido, tiene una propuesta. Pocos exoplanetas residen en la llamada “zona habitable”. Algunos de ellos, en particular los grandes planetas gigantes de gas del tamaño de Júpiter pueden, de hecho, albergar lunas que contienen agua líquida. Estos planetas gigantes son rutinariamente ignorados en la búsqueda de vida. 

El siguiente artículo lo trata y contiene además una completa selección de recursos sobre las Lunas Oceánicas en nuestro Sistema Solar.

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