Trochę o księżycach

Dany obiekt kosmiczny określany jest mianem naturalnego satelity – księżycem, jeśli okrąża planetę (dokładniej krąży wraz z nią wokół wspólnego środka masy). Ten, z pozoru prosty i mało znaczący fakt, pociąga za sobą różne ciekawe konsekwencje…

Obrót synchroniczny Księżyca.

Na początek przyjrzymy się najbliższemu Ziemi księżycowi, czyli temu, który okrąża naszą planetę. Powszechnie wiadomo, że z powierzchni Ziemi jest dostrzegalna tylko jedna jego połówka (będąc bardziej precyzyjnym to 57% jego powierzchni, gdzie „dodatkowe” 7% widoczne jest dzięki zjawisku libracji). Jednak dlaczego tak jest? Księżyc okrąża Ziemię z okresem równym jego okresowi obrotu wokół własnej osi. Zjawisko to określane jest mianem obrotu synchronicznego. Występuje ono najczęściej wśród układów planeta-naturalny satelita, ale także gwiazda-planeta. Niemożność oglądania z powierzchni Ziemi „ciemnej” strony Księżyca przyczyniała się do powstawania wielu ciekawych powieści sci-fi, a także do licznych teorii spiskowych spekulujących co może się dziać po niewidocznej stronie Księżyca. Jednak obrotowa relacja Ziemia-Księżyc nie poprzestaje na zwróceniu naszego satelity do nas ciągle tą samą stroną. W skutek działania „hamulca księżycowego” w dalekiej przyszłości przyroda dąży do zwrócenia również Ziemi zawsze tą samą stroną do Księżyca.

Jak działa hamulec księżycowy?

Obecność Księżyca w pobliżu Ziemi odpowiada za powstanie pływów na powierzchni planety. Związek ten wyjaśnia teoria płynów, zapoczątkowana już przez Newtona. Jej zrozumienie wymaga odwołania się do trochę bardziej skomplikowanych opisów. Tak jak wspominałam na początku, Ziemia i Księżyc obiegają punkt wspólnego środka masy. W praktyce oznacza to, że również nasza planeta wykonuje ruch, z tą samą prędkością kątową co Księżyc. Jako, że w powyższym układzie Ziemia jest bardziej masywniejszym obiektem, środek ten znajduje się wewnątrz planety jednak nie w  samym jej środku. W dalszym rozumieniu problemu korzystne będzie przejście do układu środka masy, w którym Ziemia i Księżyc są nieruchome względem siebie. Uznajmy więc, że siedzimy gdzieś na linii prostej łączącej środki mas obydwu obiektów. Teraz musimy ustalić jakie siły działają na Ziemię (w uproszczonym układzie składającym się tylko z Ziemi i Księżyca). Po pierwsze siła przyciągania grawitacyjnego Księżyca - jest ona skierowana wzdłuż prostej na której jesteśmy i zwrócona w stronę Księżyca. Drugą z nich jest odśrodkowa siła inercji, skierowana zawsze na zewnątrz planety.

Okazuje się jednak, że opisane tu siły, przedstawione również na schemacie, są lekkim uproszczeniem, bowiem rzeczywiście działające siły są nieco przesunięte w bok w stosunku do linii, łączącej środki Ziemi i Księżyca. Dzieje się tak dlatego, że obracająca się Ziemia ciągnie za sobą masy wody. Zatem „garb wodny” przyciągany przez Księżyc (czyli omawiany przypływ) przesuwa się z „opóźnieniem” w stosunku do wywołującej jej siły. Powoduje to powstanie momentu pędu hamującego jej obrót. Przez to doba codziennie się wydłuża! Hamulec księżycowy pracuje również dzisiaj i dąży do zrównania się czasu obrotu wirowego Ziemi z obrotem Księżyca wokół naszej planety.

Czy dodatkowo istnieją jakieś zależności między okresem orbitalnym między poszczególnymi naturalnymi satelitami jeśli większa ich ilość okrąża jedną planetę? Oczywiście, że tak! Wyżej wspominany był Newton, to teraz pora na Galileusza, a dokładniej na odkryte przez niego księżyce.

Dziś wiadomo, że Jowisza okrąża około 95 księżyców, jednak największe cztery z nich odkryte już w 1610r. przez Galileusza to Io, Ganimedes, Kalisto i Europa. Pozostają one wobec siebie w rezonansie orbitalnym, oznacza to, że na określoną liczbę okrążeń jednego z nich wypada jakaś wielokrotność okrążeń drugiego. Konkretnie, na cztery obiegi Io wokół Jowisza przypadają dwa obiegi Europy i jeden Ganimedesa (4:2:1). Rezonans ten wymusza eliptyczność orbit i powoduje deformacje pływowe wspomnianych księżyców. Najbardziej podatnym na jego działanie jest Io – przez naprzemienne rozciąganie i spłaszczanie jego powierzchni jest bardzo aktywny wulkanicznie, a ekscentryczność jego planety skutkuje silnymi wewnętrznymi oddziaływaniami pływowymi.