É teoricamente possível que luas naturais de luas existam em órbitas estáveis. Há um artigo de 2018 que explora esse tópico. Seus cálculos mostram que várias luas no sistema solar são realmente teoricamente capazes de hospedar luas de luas de vida longa, incluindo Titã e Jápeto de Saturno, Calisto de Júpiter e Lua da Terra. No entanto, até o momento, tais luas de luas ainda não foram observadas. (Aliás, há uma lista de termos propostos para luas de luas, sendo os mais populares "submoon" e "moonmoon".)
Este artigo possui um bom resumo do artigo.
É verdade que a esfera de Hill é uma aproximação e que perturbações de outros corpos gravitacionais e radiação podem desestabilizar uma órbita mesmo dentro da esfera de Hill de um corpo. No entanto, é uma estimativa decente que se uma órbita estiver dentro da metade do raio da esfera de Hill, essa órbita seria estável por bilhões de anos.
O artigo apresenta alguns gráficos que mostram que existem algumas luas no sistema solar que podem ter submoons em escala de 10 km, estáveis por pelo menos a idade do sistema solar, sob a influência das marés planeta-lua-sub-lua:
![Figura 1. Luas de Luas - O espaço de parâmetro no qual a lua de um planeta especificado poderia hospedar uma sub-lua de vida longa sob a ação das marés planeta-lua-sub-lua](https://i.stack.imgur.com/GMKyA.png)
Os autores do artigo observam, no entanto, que os gráficos acima não levam em conta instabilidades dinâmicas, como as distribuições incomuns de massa da Lua, perturbações Sol-Terra, interações dinâmicas entre luas em sistemas de múltiplas luas e eventos de dispersão dinâmica entre planetas.
A cordilheira equatorial de Iapetus pode sugerir a existência de uma sub-lua passada. Levison et al. (2011) teorizaram que essa crista é de uma colisão geradora de submoon, em que o submoon foi empurrado por marés para fora e o cinturão de detritos foi empurrado por marés para dentro para criar o cordão. Alternativamente, Dombard et al. (2012) teorizaram que o cinturão era causado por uma sub-lua em espiral para dentro e por ser fragmentado pela maré.
![Jápeto, com um cume de montanhas ao redor de seu equador](https://i.stack.imgur.com/jfzXt.png)
No entanto, ainda não vimos nenhuma sub-lua diretamente. Uma razão pode ser que eles são pequenos demais para serem vistos. Seria muito difícil avistar algo com 10 metros de largura orbitando a Lua, muito menos Titã.
Embora o fato de não termos visto nenhum desses maiores teoricamente possíveis sugira que possa haver outra razão pela qual eles não são comuns.
Por exemplo, pode ser muito difícil para eles se formarem, no caos de gás e poeira que circundam uma estrela-bebê. As marés também fazem com que as órbitas das luas se expandam ao longo do tempo, de modo que o que é confortável no setor de submarinas no momento não seria bilhões de anos atrás. Por exemplo, a Lua provavelmente se formou dentro de vários raios da Terra a partir do nosso planeta, que estaria muito perto do planeta para que uma sub-lua fosse viável. E talvez seja muito raro e improvável que uma lua capture um asteróide e faça com que ele se torne uma sub-lua.