Земля, по всей видимости, не должна была существовать.
Это связано с тем, что орбиты внутренних планет Солнечной системы — Меркурия, Венеры, Земли и Марса — хаотичны, и модели предполагают, что эти внутренние планеты уже должны были столкнуться друг с другом. И всё же этого пока не произошло.
Новое исследование, опубликованное 3 мая в журнале Physical Review X, может, наконец, объяснить, почему.
Глубоко погрузившись в модели движения планет, исследователи выявили, что движения внутренних планет ограничены определёнными параметрами, которые действуют как привязь, препятствующая хаосу в системе. Помимо предоставления математического объяснения кажущейся гармонии в нашей Солнечной системе, результаты нового исследования могут помочь учёным понять траектории экзопланет, окружающих другие звёзды.
Непредсказуемые планеты
Планеты постоянно оказывают друг на друга взаимное гравитационное притяжение, и эти маленькие притяжения регулярно вносят небольшие коррективы в орбиты планет. Внешние планеты, которые намного крупнее, более устойчивы к небольшим притяжениям и поэтому сохраняют сравнительно стабильные орбиты.
Однако проблема внутренних траекторий планет всё ещё слишком сложна, чтобы её можно было решить точно. В конце 19 века математик Анри Пуанкаре (Henri Poincaré) доказал, что математически невозможно решить уравнения, управляющие движением трёх или более взаимодействующих объектов, — данный труд известен как «задача трёх тел». В результате неопределенность в деталях начальных положений и скоростей планет увеличивается со временем. Другими словами: можно взять два сценария, в которых расстояния между Меркурием, Венерой, Марсом и Землёй различаются на незначительную величину, и в одном случае планеты сталкиваются друг с другом, а в другом — расходятся в разные стороны.
Время, за которое две траектории с почти идентичными начальными условиями начинают расходиться на определённое расстояние, называется ляпуновским временем хаотической системы. В 1989 году Жак Ласкар (Jacques Laskar), астроном и руководитель исследований Национального центра научных исследований и Парижской обсерватории, а также соавтор нового исследования, рассчитал, что характерное ляпуновское время для планетных орбит внутренней части Солнечной системы составило всего 5 миллионов лет.
«По сути, это означает, что вы теряете одну цифру каждые 10 миллионов лет», — сказал Ласкар в интервью Live Science.
Так, например, если первоначальная неопределённость положения планеты составляет 15 метров, то через 10 миллионов лет эта неопределённость составит 150 метров; через 100 миллионов лет потеряются ещё 9 цифр, что даёт неопределенность в 150 миллионов километров, эквивалентную расстоянию между Землёй и Солнцем.
«По сути, вы понятия не имеете, где находится планета», — сказал Ласкар.
И хотя 100 миллионов лет могут показаться долгим сроком, самой Солнечной системе более 4,5 миллиардов лет, и отсутствие драматических событий, таких как планетарное столкновение или выброс планеты из всего этого хаотического движения, долгое время озадачивало учёных.
Затем Ласкар взглянул на проблему по-другому: смоделировав траектории движения внутренней планеты 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 подсчитал, что для столкновения любой из планет потребуется в среднем около 30 миллиардов лет.
Обуздание хаоса
Углубившись в математику, Ласкар и его коллеги впервые определили «симметрии» или «сохраняющиеся величины» в гравитационных взаимодействиях, которые создают «практический барьер в хаотическом блуждании планет», — рассказал Ласкар.
Эти возникающие количества остаются почти постоянными и препятствуют некоторым 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 благодарить эти величины за кажущуюся стабильность нашей Солнечной системы.
Рену Малхотра (Renu Malhotra), профессор планетарных наук в Университете Аризоны, которая не принимала участия в исследовании, подчеркнула, насколько тонкими являются механизмы, выявленные в ходе исследования. Малхотра рассказала Live Science, что особенно интересно то, что «орбиты планет 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 в настоящее время. При всей стабильности, очевидной сегодня, остаётся открытым вопрос, всегда ли так было на протяжении миллиардов лет до возникновения жизни.
