Hay tres escenarios de formación principales para las lunas planetarias.
La hipótesis del impacto gigante: el satélite se forma como consecuencia de un impacto entre el planeta y un gran planetesimal . La Luna es un ejemplo, y uno de los argumentos es que la composición química de la Luna coincide con la de la Tierra con una precisión significativa, lo que sugiere que es en parte nuestro planeta y en parte el impactador original ( Theia) También sabemos que la Luna se ha alejado más de la Tierra porque tenemos evidencia de que ganó energía potencial orbital al absorberla de la energía rotacional de la Tierra. Sabemos esto porque los días no duraron 24 horas hace unos pocos millones de años y podemos realizar un seguimiento de esos cambios en el período de rotación de la Tierra utilizando anillos en corales fosilizados (que tienen aparejos como los anillos de los árboles, pero que se generan a diario ) Entonces podemos ver que la luna estaba extremadamente cerca de la Tierra hace unos mil millones de años (tenemos más evidencia de esto por el hecho de que las mareas eran enormes en aquellos tiempos y llevaron evidencia geológica de inundaciones diarias en todo el planeta formado recientemente). Si sigues retrocediendo en el tiempo, ves que la Luna estaba emergiendo básicamente de la Tierra. Hay muchas más evidencias de este escenario para nuestra luna.
El escenario de acreción: el satélite se unió a partir de un disco de material alrededor del planeta recién nacido (al igual que el planeta se acreció del disco protoplanetario), el llamado disco circumplanetario. Como ejemplo tenemos las cuatro lunas galileas alrededor de Júpiter (Io, Europa, Ganímedes y Calisto). Dado que el disco era relativamente plano, las lunas se formaron en el mismo plano orbital, también se mueven en la misma dirección a medida que gira el planeta (lo cual tiene sentido ya que ambas se generan a partir del mismo material que gira con un cierto momento angular). Este es el escenario más frecuente para las grandes lunas. Nuestra luna no podía formarse así porque el tamaño esperado del disco circumplanetario no era tan masivo como nuestra luna hoy (la Tierra es un planeta pequeño y tiene una luna enorme en términos relativos).
Escenario de captura: el satélite se formó en otras partes del Sistema Solar como un cuerpo menor independiente. Con el tiempo, alguna interacción dinámica podría haber llevado al objeto cerca de un planeta y ambos se unieron gravitacionalmente. Un ejemplo de esto es Tritón, la luna más grande de Neptuno. La órbita retrógrada es inexplicable en términos del escenario de acreción y la energía necesaria para que un escenario de impacto gian funcione en Neptuno es demasiado grande. Tritón fue capturado (creemos que se formó como otro planetesimal en el Cinturón de Kuiper, ya que comparte muchas características químicas de Plutóny otros objetos de la región). No hay tantas lunas en Neptuno probablemente porque desaparecieron (chocando contra el planeta o fueron expulsadas) justo cuando Tritón llegó al sistema y desestabilizó dinámicamente sus órbitas. Otro claro ejemplo son los pequeños satélites irregulares de Júpiter . Este escenario es muy difícil de imaginar para la Tierra, ya que capturar una luna masiva como la nuestra y hacer que la órbita sea circular habría sido una hazaña en términos de cuán precisamente afinados deberían estar los parámetros de inserción de la órbita. El escenario de impacto gigante conduce a la situación actual en simulaciones para un rango más amplio de parámetros de impacto, por lo que es mucho más probable en términos estadísticos.
También hay algunos escenarios menos frecuentes y algunos especulativos:
Fragmentos de eyecta de otras lunas: algunos satélites pueden tener su origen en otros satélites. Un gran impacto podría expulsar material en órbita. Un ejemplo sería Hippocamp (una luna neptuniana) que ahora se considera un fragmento despojado de Proteus (una luna más grande).
Lunas lagrangianas / troyanas : esto es similar al escenario del disco circumplanetario, pero aquí la acumulación en el disco del planeta se estimula aún más en ciertas regiones debido a una luna que se formó un poco antes. Un cuerpo en órbita puede generar cinco puntos de equilibrio ( puntos de Lagrange ) al esculpir el paisaje gravitacional. Dos de esos puntos de equilibrio (L4 y L5) son puntos de equilibrio estables; por lo tanto, son como trampas gravitacionales donde la materia puede acumularse hasta que se forme una luna nueva. Como ejemplo potencial tenemos a Telesto y Calypso en el sistema de Saturno. Ambos se encuentran en los puntos L4 y L5 Lagrange de Tetis(una luna mucho más grande con gran influencia gravitacional). Podrían haberse formado como objetos regulares y luego quedar atrapados en los puntos de equilibrio o podrían haberse formado allí cuando la materia se unió en esas trampas gravitacionales.
Rociado a la existencia por el criovolcanismo desde otra luna : suena ridículo porque es un escenario hipotético, creo que podría suceder en algún lugar del universo. Echa un vistazo a Encelado (una gran luna activa de Saturno). Enceladus tiene penachos de agua y chorros que disparan material desde su interior al espacio a través de grietas en la corteza helada (porque las tensiones de las mareas calientan el interior como una olla a presión y la presión se libera de esa manera). Todo el anillo E en Saturno fue creado orbitando hielo y granos de polvo rociados por Encelado. Sabemos que el anillo E tiene una masa de casi12⋅108kgy sabemos que está tan lejos de Saturno como para hacer posible la fusión de este asunto (las fuerzas de marea no lo interrumpirían: ver el límite de Roche ). Por lo tanto, es posible que el material del anillo pueda formar una luna con la densidad de Aegaeon (otra luna de Saturno) y con un diámetro de solo162m(un tercio del tamaño de Aegaeon). Encelado lo prohíbe debido a la influencia gravitacional que ejerce sobre el anillo E, también prohíbe que crezca (el anillo sería más masivo si el material no fuera reabsorbido continuamente por Encelado). Pero si Encelado migró a otra órbita en escalas de tiempo relativamente cortas, entonces al menos creo que es posible que esto suceda. La luna nueva generada por el material del anillo podría terminar colisionando con Encelado ya que ambos probablemente aún interactuarían de manera caótica. El material una vez rociado de su interior habría vuelto a casa.
Escenario de ruptura centrífuga: esto también es hipotético, pero creemos que esto sucede mucho en los asteroides. Las lunas livianas podrían ser pilas de rublos al igual que muchos cometas y asteroides. Material delimitado con poca cohesión. Si la luna comienza a girar más y más rápido (debido a algún mecanismo como el efecto Yarkovsky-O'Keefe-Radzievskii-Paddack ), podría romperse en dos partes debido a las fuerzas centrífugas extremas (descritas como se ve desde la co-rotación marco de referencia de la luna original). Se cree que los asteroides como en dos debido a este efecto. No veo ninguna razón por la cual una luna no pueda hacer lo mismo, formando una luna nueva e independiente en el proceso.1999KW4
Luna hecha de trozos de otras lunas interrumpidas: tan loca como parece, es una de las hipótesis de formación con respecto a la formación de Miranda (uno de los satélites de Urano). La superficie de Miranda es tan compleja y variada que algunos especulan que podría haberse formado ya que varias piezas que orbitaban a Urano se unieron suavemente. Estas piezas podrían haber sido fragmentos de otras lunas o podrían haber sido fragmentos de una iteración anterior de Miranda misma, fragmentada después de un evento disruptivo. La geología en cada trozo habría evolucionado de forma independiente hasta que se volvieran a montar juntos. Pero esto también es bastante especulativo.