Zagajenie

Ile księżyców ma Ziemia? Jeden, w dodatku pisany przez duże „K”, żeby nie było wątpliwości. No bo co to jest księżyc? Jest to, cytując Wikipedię naturalny satelita, ciało niebieskie pochodzenia naturalnego, obiegające planetę, planetę karłowatą lub planetoidę. Czy ta definicja jest precyzyjna? Wydawałoby się, że tak, ale diabeł, jak zwykle, kryje się w szczegółach. Wystarczy zadać kilka podstępnych pytań, aby nabrać wątpliwości.

Co to znaczy „obiega”? Każdy układ dwóch krążących wokół siebie ciał posiada środek ciężkości, centrum wzajemnego obiegu, a w szczególnym przypadku dwóch ciał o zbliżonych masach trudno mówić, że jedno ciało obiega drugie. Jest to tak zwany układ podwójny. Oba ciała krążą wokół wspólnego środka ciężkości. Nawet tak oczywisty układ jak Ziemia-Księżyc posiada środek masy (barycentrum) w odległości około 4670 km od środka Ziemi. 

Czy księżyc (satelita) musi być sztywną bryłą? Definicja tego nie precyzuje, więc korzystając z zasady domniemania niewinności możemy uznać, że nie musi, może być przecież obiektem pyłowym utrzymującym spójność dzięki swojej własnej mikrograwitacji i szczególnemu położeniu w tzw. stabilnych punktach Lagrange’a. 

Co z nieruchomym względem siebie układem dwóch ciał? Może się zdarzyć, że satelita znajduje się w punkcie Lagrange’a, gdzie siły grawitacyjne dwóch ciał (np. planety i gwiazdy) równoważą się, pozwalając satelicie na pozostanie na stałej pozycji względem tych ciał. 

Czy wielkość ma znaczenie? Definicja milczy. Dlaczego to jest ważne, okaże się w dalszej części tekstu.

Księżyce Kordylewskiego

Krakowski astronom Kazimierz Kordylewski (1903-1981) dysponował wiedzą o punktach libracyjnych (Lagrange’a). Pisałem o nich w tekście Euclid, czyli kolejny teleskop w punkcie Lagrange’a. Wiedział też o zagęszczeniach materii odkrytych w punktach Lagrange’a L4 i L5 układów Słońce-Jowisz, Słońce-Mars i Słońce-Ziemia. Zadał więc pytanie: czy istnieją takie skupiska masy w układzie Ziemia-Księżyc? Prowadząc obserwacje nieba odkrył lokalne pojaśnienia nieba w miejscu odpowiadającym punktowi L5. Pochodziły one z rozproszenia światła słonecznego na obłokach międzyplanetarnego pyłu. Obserwacje prowadził w obserwatorium meteorologicznym na szczycie Kasprowego Wierchu, gdzie zakłócenia pochodzące od sztucznego światła były najmniejsze. Odkryte w 1961 roku obiekty zostały nazwane pyłowymi Księżycami Kordylewskiego, a astronom został uhonorowany wieloma nagrodami, w tym Brązowym Medalem NASA (1972).

Istnienie Księżyców Kordylewskiego próbowano wielokrotnie potwierdzić, początkowo z miernym skutkiem. Doszło nawet do próby zakwestionowania odkrycia, argumentując to wpływem wiatru słonecznego i oddziaływaniem grawitacyjnym innych planet na stabilność domniemanych obiektów. Dopiero uporczywe obserwacje astronoma-amatora J. W. Simpsona (1964), a później także zawodowych astronomów potwierdziły słuszność obserwacji Kordylewskiego. Między innymi J. R. Roach odkrył obłoki pyłowe w danych orbitalnego obserwatorium Słońca OSO-6. Pośrednim dowodem było też zaobserwowane osłabienie światła gwiazd. Dokonał tego Maciej Winiarski, naukowiec z Uniwersytetu Jagiellońskiego w obserwatorium astronomicznym w Roztokach Górnych. 

Najnowsze badania Księżyców Kordylewskiego wykorzystywały zmianę polaryzacji światła słonecznego przechodzącego przez te obiekty. Zostały one przeprowadzone przez naukowców węgierskich (2018). Przeprowadzono też symulacje, z których wynika pulsowanie i ciągła zmiana kształtu obłoku oraz potwierdzenie, że obłoki są w punktach Lagrange’a stabilne. Zaprzecza to twierdzeniom sceptyków kwestionujących istnienie takich obłoków.

Księżyce Kordylewskiego mają średnicę kątową około 6 stopni i mogą dryfować względem punktów L4 i L5 ok. 10 stopni kątowych. 

To nie wszystko

Inne niż Księżyc księżyce Ziemi zawsze budziły emocje i były źródłem wielu spekulacji i niepotwierdzonych obserwacji, a także inspiracją dla autorów naukowej fantastyki. Juliusz Verne w powieści Z Ziemi na Księżyc wykorzystał hipotezę (oczywiście obaloną) Frédérica Petita, dyrektora obserwatorium w Tuluzie. Tenże Petit ogłosił w 1846 roku, że odkrył drugi księżyc krążący wokół Ziemi. Sprawa była o tyle poważna, że doniesienie Petita potwierdziło dwóch innych astronomów francuskich, Lebon I Dassier. Petit poszedł więc za ciosem i ogłosił, że nowy księżyc charakteryzuje się orbitą o apogeum 3570 km i perigeum 11,4 km (!). Ale przecież tak niskie perigeum to przecież jeszcze ziemska atmosfera i każdy obiekt dłużej krążący po takiej orbicie po prostu spadłby na Ziemię.

Końcówka XIX wieku obfitowała w doniesienia tego typu (Wattelmah, Stone Wiggins), wiadomo – fin de siècle, dekadentyzm. 

Skoro już wiemy, że Ziemia posiada tylko jednego satelitę z prawdziwego zdarzenia, należy wspomnieć o tzw. „drugich księżycach”. Co to takiego? Istnieje wiele obiektów w Układzie Słonecznym, tak zwanych obiektów bliskich Ziemi (ang. near-Earth objects, NEO), które znajdują się w rezonansie orbitalnym z Ziemią. Obiekt krążący wokół Słońca znajduje się z Ziemią w rezonansie, kiedy okres obiegu wokółsłonecznego jednego z nich jest niewielką całkowitą wielokrotnością okresu drugiego obiektu. Wtedy następuje cykliczny wpływ tych obiektów na siebie (wymiana pędu) skutkujący wzajemną zmianą orbit. Zdarza się, że po pewnym czasie układ dochodzi do stanu stabilnego. Rezonans orbitalny nie jest zjawiskiem odosobnionym, występuje w naszym Układzie Słonecznym. Przykładem jest rezonans trzech księżyców Jowisza: Ganimedesa, Europy i Io w stosunku 1:2:4 oraz rezonans Plutona z Neptunem. Rezonans między księżycami Saturna jest przyczyną powstania luk w jego pierścieniach. 

Wróćmy jednak na Ziemię. „Drugich” księżyców Ziemi jest wiele, a 469219 Kamo’oalewa, asteroida o średnicy 40-100 metrów odkryta w 2016 roku jest prawdopodobnie najbardziej stabilna. Quasi-satelitą (NEO) Ziemi stała się około 100 lat temu, i prawdopodobnie pozostanie nią jeszcze przez kilka stuleci. 

Nazwa Kamoʻoalewa jest tłumaczeniem na język hawajski określenia „fragment, który oscyluje”, co odnosi się do jego ruchu na niebie widzianym z Ziemi. 

Chińska Narodowa Administracja Kosmiczna planuje wysłać do Kamo’oalewy sondę Zhenghe, która okrąży asteroidę, wyląduje na jej powierzchni, pobierze próbki i przeniesie je na Ziemię w module powrotnym. Następnie sama sonda uda się w stronę komety 133P/Elst-Pizarro.