Naukowcy odkryli dziwne symetrie. Chronią Ziemię przed zderzeniem z innymi planetami
Orbity wewnętrznych planet Układu Słonecznego, czyli Merkurego, Wenus, Ziemi i Marsa są chaotyczne, a wcześniejsze modele sugerowały, że te ciała niebieskie powinny już dawno zderzyć się ze sobą w spektakularnej, kosmicznej katastrofie. Przez kilka miliardów lat ich istnienia, do niczego takiego jednak nie doszło.
Wyniki nowych badań, opublikowanych niedawno w czasopiśmie Physical Review X pokazują dlaczego. Poprzez dogłębną analizę danych dotyczących ruchu planet, naukowcy doszli do wniosku, że ruchy planet wewnętrznych są ograniczone przez specyficzne parametry, które działają niczym więzy, które nie dopuszczają do zapanowanie chaos w naszym układzie planetarnym.
Oprócz nowego, matematycznego wyjaśnienia procesów rządzących ruchem planet w naszym Układzie Słonecznym, osiągnięcie naukowców może też okazać się bardzo przydatne w badaniach i zrozumieniu trajektorii egzoplanet, które obserwujemy w kosmosie.
Problem trzech ciał.
To, o czym wiemy od dawna to fakt, że planety wywierają na siebie wpływ poprzez oddziaływanie grawitacyjne. To wzajemne przyciąganie sprawia, iż orbity planet ulegają nieustannym, drobnym zmianom. Dzieje się tak w przypadku mniejszych planet, takich jak Ziemia. Zewnętrzne i o wiele bardziej masywne planety naszego układu, są bardziej odporne na efekty przyciągania i ich orbity są bardziej stabilne.
Problem związany z nierównowagą trajektorii planet wewnętrznych jest jednak wciąż zbyt skomplikowany, aby go do końca rozwikłać. Już w końcówce XIX wieku matematyk Henri Poincaré udowodnił, że rozwiązanie równań rządzących ruchem co najmniej trzech oddziałujących ze sobą obiektów jest matematycznie niemożliwe. Znane jest to jako „problem trzech ciał".
Skutkiem tego problemu, jest to, że nie można określić z matematyczną dokładnością położenia i prędkości planet. Co więcej, w grę wchodzą dwa scenariusze. Według pierwszego, odległości dzielące Merkurego, Wenus, Ziemię i Marsa są coraz mniejsze, aż dochodzi do zderzenia planet. W drugim planety coraz bardziej oddalają się od siebie.
Czas, w którym trajektorie dwóch planet przy przyjęciu niemal identycznych warunków początkowych rozchodzą się o określoną wartość, znany jest jako „czas Lyapunova układu chaotycznego”. W 1989 roku astronom i dyrektor badań w Narodowym Centrum Badań Naukowych i Obserwatorium Paryskim oraz współautor nowego badania Jacques Laskar, obliczył, że „czas Lyapunova” dla orbit planet wewnętrznych wynosi 5 milionów lat.
Oznacza to, że jeśli początkowa niepewność co do pozycji planety wynosi przykładowo 15 metrów, 10 milionów lat później ta niepewność wynosiłaby 150 metrów. Po upływie 100 milionach lat niepewność co do pozycji planety wynosiłaby już 150 milionów kilometrów, co odpowiada odległości między Ziemią a Słońcem. Innymi słowy, wyliczenie położenia planety staje się w takim przypadku po prostu niemożliwe.
Oczywiście, w ludzkiej skali okres 100 milionów lat brzmi jak wieczność, ale jeśli chodzi o Układ Słoneczny, to niewielki okres. Nasz układ planetarny ma bowiem ponad 4,5 miliarda lat. Jak w takim razie przez tak długi czas, nie doszło do żadnych planetarnych kolizji?
Symetria stoi na straży ładu.
Laskar spróbował teraz nieco innego niż wcześniejsze podejścia. Zastosował on symulacje trajektorii planet wewnętrznych przez następne 5 miliardów lat, i powtórzył ten proces kilka razy. Okazało się, że prawdopodobieństwo kataklizmu wynosi jedynie 1%. Innymi słowy, by doszło do zdarzenia planet, musiałoby minąć aż 30 miliardów lat. Przypomnijmy, że układ Słoneczny istnieje ponad 6 razy krócej.
Co w takim razie powstrzymuje planety przez zboczeniem ze swoich orbit i zderzeniem z innymi globami? Laskar i jego zespół określił ten czynnik „symetrią w oddziaływaniach grawitacyjnych”. Są one bezpiecznikiem, który sprawia, że planety ze sobą nie kolidują.
Liczby, które określają odkryte „symetrie”, pozostają niemal stałe i służą jako swoisty hamulec bezpieczeństwa przed chaosem w ruchu planet, choć nie zapobiega mu zupełnie.to Właśnie dzięki odkrytym przez francuskiego naukowca wartościom, czyli „symetriom” Układ Słoneczny pozostaje stabilny.
Innym pytaniem, z jakim zmaga się Laskar, jest to, czy liczba planet w Układzie Słonecznym kiedykolwiek różniła się od stanu obecnego. Chodzi oczywiście o liczbę ciał niebieskich, a nie kwestię tego czy Pluton jest planetą, czy też nie. Jeśli bowiem spojrzymy na stabilność, jaką wykazuje obecnie Układ Słoneczny z matematycznego punktu widzenia, nie jest wcale pewne czy dla jej osiągnięcia wystarczyłyby jedynie te planety, jakie znamy. To jednak jest już zupełnie inne zagadnienie, które jest nie tyle poważnym pytaniem dotyczącym liczby planet w naszym układzie, a teoretycznym problemem matematycznym.
