Землі, напевно, не повинно існувати. Це тому, що орбіти внутрішніх планет Сонячної системи — Меркурія, Венери, Землі та Марса — хаотичні, і моделі припустили, що ці внутрішні планети вже повинні були врізатися одна в одну. І все ж цього не сталося.
Нове дослідження, опубліковане в журналі Physical Review X може нарешті пояснити чому.
Глибоко занурившись у моделі руху планет, дослідники виявили, що рухи внутрішніх планет обмежені певними параметрами, які діють як зв’язок, що гальмує хаос системи. Окрім математичного пояснення очевидної гармонії в нашій Сонячній системі, нове дослідження може допомогти вченим зрозуміти траєкторії екзопланет, що оточують інші зірки.
Непередбачувані планети
Планети постійно надають взаємне гравітаційне тяжіння одна одній – і ці маленькі тягачі постійно вносять незначні корективи в орбіти планет. Зовнішні планети, які набагато більші, більш стійкі до невеликих перетягувань і тому зберігають відносно стабільні орбіти.
Однак проблема внутрішніх траєкторій планети все ще надто складна, щоб її точно вирішити. Наприкінці 19 століття математик Анрі Пуанкаре довів, що математично неможливо розв’язати рівняння, які керують рухом трьох або більше взаємодіючих об’єктів, що часто називають «проблемою трьох тіл ». Як наслідок, невизначеність у деталях початкового положення та швидкості планет з часом зростає. Іншими словами: можна взяти два сценарії, в яких відстані між Меркурієм, Венерою, Марсом і Землею різняться на найменшу величину, і в одному планети врізаються одна в одну, а в іншому вони розходяться.
Час, необхідний для того, щоб дві траєкторії з майже однаковими початковими умовами розходилися на певну величину, відомий як час Ляпунова хаотичної системи. У 1989 році Жак Ласкар, астроном і керівник досліджень Національного центру наукових досліджень і Паризької обсерваторії та співавтор нового дослідження, розрахував характерний час Ляпунова для планетних орбіт внутрішньої Сонячної системи було всього 5 мільйонів років.
«По суті, це означає, що ви втрачаєте одну цифру кожні 10 мільйонів років», — сказав Ласкар. Так, наприклад, якщо початкова невизначеність у положенні планети становить 15 метрів, через 10 мільйонів років ця невизначеність становитиме 150 метрів; через 100 мільйонів років втрачаються ще 9 цифр, що дає невизначеність у 150 мільйонів кілометрів, що еквівалентно відстані між Землею та Сонцем. «По суті, ви не знаєте, де знаходиться планета», — сказав Ласкар.
Хоча 100 мільйонів років може здатися довгим, самій Сонячній системі понад 4,5 мільярда років, і відсутність драматичних подій, таких як зіткнення планет або викид планети з усього цього хаотичного руху, довго спантеличувала вчених.
Потім Ласкар подивився на проблему по-іншому: шляхом моделювання внутрішніх траєкторій планети протягом наступних 5 мільярдів років, крокуючи від одного моменту до іншого. Він виявив лише 1% ймовірності зіткнення планет. Використовуючи той самий підхід, він підрахував, що для зіткнення будь-якої з планет знадобиться в середньому близько 30 мільярдів років.
Стримування хаосу
Заглиблюючись у математику, Ласкар і його колеги вперше виявили «симетрії» або «збережені величини» в гравітаційних взаємодіях, які створюють «практичний бар’єр у хаотичному блуканні планет», – сказав Ласкар.
Ці величини, що виникають, залишаються майже постійними та перешкоджають певним хаотичним рухам, але не запобігають їм повністю, подібно до того, як піднятий край обідньої тарілки перешкоджає падінню їжі з тарілки, але не запобігає цьому повністю. Ми можемо завдячувати цим величинам за явну стабільність нашої Сонячної системи.
Рену Малхотра, професор планетарних наук Університету Арізони, який не брав участі в дослідженні, підкреслив, наскільки тонкими є механізми, виявлені в дослідженні. Малхотра сказав Live Science, що цікаво те, що «планетні орбіти нашої Сонячної системи демонструють винятково слабкий хаос».
В іншій роботі Ласкар і його колеги шукають підказки щодо того, чи кількість планет у Сонячній системі коли-небудь відрізнялася від того, що ми бачимо зараз. Незважаючи на стабільність, очевидну сьогодні, чи завжди це було протягом мільярдів років до появи життя, залишається відкритим питанням.
