Открити са тайни "симетрии", които предпазват Земята от хаоса в космоса

Нов анализ на хаоса в Слънчевата система разкрива как в продължение на милиарди години се избягват сблъсъците между планетите

Ваня Милева Последна промяна на 11 май 2023 в 00:01 5804 0

Илюстрация на всички планети от Слънчевата система, подредени в дъга около Слънцето

Кредит BlenderTimer / Pixabay
Според физичните модели вътрешната част на Слънчевата система би трябвало да е хаотична бъркотия. Нови изследвания могат да обяснят нейната относителна стабилност.

Земята вероятно не би трябвало да съществува.

Това е така, защото орбитите на вътрешните планети от Слънчевата система - Меркурий, Венера, Земята и Марс - са хаотични и моделите предполагат, че тези вътрешни планети би трябвало вече да са се сблъскали една в друга. И все пак това не се е случило.

Ново изследване, публикувано в списание Physical Review X, може най-накрая да обясни защо.

Задълбочавайки се в моделите за движение на планетите, изследователите откриват, че движенията на вътрешните планети са ограничени от определени параметри, възпрепятстващи хаоса в системата. Освен че дават математическо обяснение за привидната хармония в нашата Слънчева система, прозренията на новото изследване могат да помогнат на учените да разберат траекториите на екзопланетите, заобикалящи други звезди.

Непредсказуеми планети

Планетите постоянно упражняват взаимно гравитационно привличане една към друга - и тези малки привличания постоянно внасят малки корекции в орбитите на планетите. Външните планети, които са много по-големи, са по-устойчиви на малките въздействия и затова поддържат сравнително стабилни орбити.

Проблемът с траекториите на вътрешните планети обаче все още е твърде сложен, за да бъде решен точно. В края на XIX в. математикът Анри Поанкаре доказва, че е математически невъзможно да се решат уравненията, управляващи движението за три или повече взаимодействащи си обекти, което често е известно като "проблем на трите тела". В резултат на това несигурността в детайлите на началните позиции и скорости на планетите се увеличава с течение на времето. С други думи: Възможно е да вземем два сценария, в които разстоянията между Меркурий, Венера, Марс и Земята се различават с много малко, и в единия планетите да се разбият една в друга, а в другия да се разминат.

Времето, което е необходимо на две траектории с почти еднакви начални условия, за да се разминат с определена дистанция, е известно като време на Ляпунов на хаотичната система.

Времето на Ляпунов

В математиката времето на Ляпунов е характерната времева скала, в която една динамична система е хаотична. Носи името на руския математик Александър Ляпунов.

Времето на Ляпунов отразява границите на предвидимостта на системата. Определя се като времето, през което разстоянието между съседни траектории на системата се увеличава с e (основата на натуралните логаритми, e = 2,718) пъти. Понякога се говори за увеличаване на разстоянието между траекториите с 2 или 10 пъти, което означава загуба на една двоична или десетична цифра.

Концепцията се използва в много приложения на теорията на динамичните системи, особено в небесната механика, където е от голямо значение за въпроса за стабилността на Слънчевата система. Емпиричните оценки на времето на Ляпунов често се разглеждат като оценка на несигурност.

Според белгийския физик Иля Пригожин, носител на Нобелова награда за работата му в областта на неравновесната термодинамика, „времето на Ляпунов ни позволява да въведем вътрешна „времева скала“ за хаотични системи, тоест интервалът от време, през който изразът „две идентични“ системи, съответстващи на едни и същи начални условия, запазва своето значение (позволява да прогноза в определена степен). След доста дълъг период на еволюция в сравнение с времето на Ляпунов, паметта за първоначалното състояние на системата е напълно загубена: задаването на първоначалното състояние вече не ни позволява да определим траекторията”.

През 1989 г. Жак Ласкар (Jacques Laskar), астроном и директор на научните изследвания в Националния център за научни изследвания и Парижката обсерватория и съавтор на новото изследване, изчислява, че характерното време на Ляпунов за орбитите на планетите от вътрешната Слънчева система е само 5 милиона години.

"В общи линии това означава, че се добавя по една цифра несигурност на всеки 10 милиона години", обяснява Ласкар пред Live Science.

Така например, ако първоначалната несигурност в позицията на дадена планета е 15 метра, 10 милиона години по-късно тази несигурност ще бъде 150 метра; след 100 милиона години се губят още 9 цифри, което дава несигурност от 150 милиона километра, еквивалентна на разстоянието между Земята и Слънцето.

"В общи линии няма да имате представа къде се намира планетата", посочва Ласкар.

Въпреки че 100 милиона години може да изглеждат много, самата Слънчева система е на повече от 4,5 милиарда години и липсата на драматични събития - като например сблъсък на планети или изхвърляне на планета от цялото това хаотично движение - отдавна озадачава учените.

Тогава Ласкар разглежда проблема по различен начин: симулира траекториите на вътрешните планети през следващите 5 милиарда години, преминавайки от един момент към следващия. Той установява, че вероятността за сблъсък на планетите е само 1 %. Със същия подход той изчислява, че ще са необходими средно около 30 милиарда години, за да се сблъска някоя от планетите.

Илюстрация на сблъсък на две скалисти планети. Кредит: NASA/JPL-Caltech

Овладяване на хаоса

След това Ласкар и колегите му идентифицират за първи път "симетрии" или "запазени величини" в гравитационните взаимодействия, които създават "практическа бариера в хаотичното движение на планетите", отбелязва Ласкар.

Тези възникващи величини остават почти постоянни и възпрепятстват определени хаотични движения, но не ги предотвратяват напълно, подобно на издигнатия ръб на чиния, който възпрепятства падането на храна от чинията, но не го предотвратява напълно. Можем да благодарим на тези величини за очевидната стабилност на нашата Слънчева система.

Миналата година математиците доцент Ангел Живков и докторант Ивайло Тунчев от Софийския университет представиха аналитично доказателство за стабилността на Слънчевата система през следващите 100 хилядолетия, включително всичките осем планети и Плутон. Това внася допълнително спокойствие за съдбата на Слънчевата система.

В друга работа Ласкар и колегите му търсят улики дали броят на планетите в Слънчевата система някога се е различавал от този, който виждаме в момента. При цялата стабилност, която е очевидна днес, дали винаги е било така през милиардите години преди развитието на живота, остава открит въпрос.

Справка: Timescales of chaos in the inner Solar System: Lyapunov spectrum and quasi-integrals of motion
Federico Mogavero, Nam H. Hoang and Jacques Laskar,  https://doi.org/10.48550/arXiv.2305.01683 

Източник: Scientists discover secret 'symmetries' that protect Earth from the chaos of space, Live Science

Виж още за:
Най-важното
Всички новини

Още от Космос

Коментари

За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !