Новый анализ хаоса в Солнечной системе показывает, как удается избегать столкновений планет на протяжении миллиардов лет.
Земля, вероятно, не должна существовать.
Это потому, что орбиты внутренних планет Солнечной системы — Меркурия, Венеры, Земли и Марса — хаотичны, и модели предполагают, что эти внутренние планеты должны были бы уже врезаться друг в друга. Однако этого не произошло.
Новое исследование, опубликованное 3 мая в журнале Physical Review X, может наконец объяснить, почему это произошло.
Содержание
Глубоко погрузившись в модели движения планет, исследователи обнаружили, что движения внутренних планет ограничены определенными параметрами, которые действуют как привязь, препятствующая хаосу в системе. Помимо математического объяснения кажущейся гармонии в нашей Солнечной системе, результаты нового исследования могут помочь ученым понять траектории движения экзопланет вокруг других звезд.
Непредсказуемые планеты
Планеты постоянно оказывают взаимное гравитационное притяжение друг на друга — и эти небольшие притяжения постоянно вносят незначительные коррективы в орбиты планет. Внешние планеты, которые намного больше, более устойчивы к небольшим притяжениям и поэтому поддерживают сравнительно стабильные орбиты.
Однако проблема траекторий внутренних планет все еще слишком сложна для точного решения. В конце 19 века математик Анри Пуанкаре доказал, что математически невозможно решить уравнения, управляющие движением трех или более взаимодействующих объектов, что часто называют «задачей трех тел«. В результате неопределенности в деталях начальных положений и скоростей планет со временем увеличиваются. Другими словами: можно взять два сценария, в которых расстояния между Меркурием, Венерой, Марсом и Землей отличаются на малейшую величину, и в одном из них планеты врежутся друг в друга, а в другом — разойдутся.
Время, за которое две траектории с почти одинаковыми начальными условиями расходятся на определенную величину, известно как “время Ляпунова” — время, за которое система приводится к полному хаосу. В 1989 году Жак Ласкар, астроном и научный руководитель Национального центра научных исследований и Парижской обсерватории и соавтор нового исследования, рассчитал, что характерное время Ляпунова для планетарных орбит внутренней части Солнечной системы составляет всего 5 миллионов лет.
«По сути, это означает, что вы теряете одну цифру каждые 10 миллионов лет, — сказал Ласкар. Так, например, если начальная неопределенность в положении планеты составляет 15 метров, то через 10 миллионов лет эта неопределенность составит 150 метров; через 100 миллионов лет теряется еще 9 цифр, что дает неопределенность в 150 миллионов километров, эквивалентную расстоянию между Землей и Солнцем. «По сути, вы понятия не имеете, где находится планета», — говорит Ласкар.
Хотя 100 миллионов лет могут показаться долгим сроком, возраст самой Солнечной системы составляет более 4,5 миллиардов лет, и отсутствие драматических событий — таких, как столкновение планет или выброс планеты из всего этого хаотического движения — давно озадачивает ученых.
Затем Ласкар взглянул на проблему по-другому: смоделировал траектории движения внутренних планет в течение следующих 5 миллиардов лет, переходя от одного момента к другому. Он обнаружил, что вероятность столкновения планет составляет всего 1%. Используя тот же подход, он рассчитал, что для столкновения любой из планет потребуется в среднем около 30 миллиардов лет.
Сдерживание хаоса
Углубившись в математику, Ласкар и его коллеги впервые выявили «симметрии» или «сохраняющиеся величины» в гравитационном взаимодействии, которые создают «практический барьер в хаотическом блуждании планет».
Эти возникающие величины остаются почти постоянными и препятствуют определенным хаотическим движениям, но не предотвращают их полностью, подобно тому, как приподнятый край обеденной тарелки препятствует падению пищи с тарелки, но не предотвращает его полностью. Мы можем поблагодарить эти величины за кажущуюся стабильность нашей Солнечной системы.
Рену Малхотра, профессор планетарных наук из Университета Аризоны, не принимавший участия в исследовании, подчеркнул, насколько тонкими являются механизмы, выявленные в исследовании. Малхотра сказал, что интересно, что «планетарные орбиты нашей Солнечной системы демонстрируют исключительно слабый хаос».
В другой работе Ласкар и его коллеги ищут подсказки относительно того, отличалось ли когда-либо количество планет в Солнечной системе от того, что мы видим сейчас. При всей очевидной сегодня стабильности, вопрос о том, всегда ли так было на протяжении миллиардов лет до возникновения жизни, остается открытым.
Читайте также: Солнечная система будет стабильна еще не меньше 100 000 лет