Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Устойчивость Солнечной системы является предметом особого расследования в астрономии . Хотя планеты были стабильными, когда исторически наблюдались, и будут стабильными в краткосрочной перспективе, их слабое гравитационное воздействие друг на друга может складываться непредсказуемым образом. По этой причине (среди других) Солнечная система хаотична в техническом смысле математической теории хаоса , [1] и даже самый точные долгосрочные модели орбитального движения Солнечной системы не действует в течение более чем нескольких десятков миллионов лет. [2]

Солнечная система стабильна с точки зрения человека и намного дальше, учитывая, что маловероятно, что какая-либо из планет столкнется друг с другом или будет выброшена из системы в следующие несколько миллиардов лет [3], а орбита Земли будет относительно стабильный. [4]

Начиная с закона всемирного тяготения Ньютона (1687 г.) математики и астрономы (такие как Пьер-Симон Лаплас , Жозеф Луи Лагранж , Карл Фридрих Гаусс , Анри Пуанкаре , Андрей Колмогоров , Владимир Арнольд и Юрген Мозер ) искали доказательства стабильности движения планет, и эти поиски привели ко многим математическим разработкам и нескольким последовательным «доказательствам» стабильности Солнечной системы. [5]

Обзор и проблемы [ править ]

Основная статья: проблема n-тела

Орбиты планет открыты для долгосрочных изменений. Моделирование Солнечной системы - это случай проблемы n тел в физике, которая, как правило, неразрешима, кроме как с помощью численного моделирования.

Резонанс [ править ]

График, показывающий количество объектов пояса Койпера на заданном расстоянии (в а.е. ) от Солнца

Орбитальный резонанс возникает, когда любые два периода имеют простое числовое соотношение. Самый фундаментальный период для объекта в Солнечной системе - это его орбитальный период , а орбитальные резонансы пронизывают всю Солнечную систему. В 1867 году американский астроном Дэниел Кирквуд заметил, что астероиды в поясе астероидов не распределены случайным образом. [6] В поясе были отчетливые разрывы в местах, которые соответствовали резонансам с Юпитером . Например, не было астероидов в резонансе 3: 1 - на расстоянии 2,5 а.е. - или в резонансе 2: 1 на 3,3 а.е. (а.е. - астрономическая единица , или, по сути, расстояние от Солнца до Земли). Теперь они известны какКирквуд пробелы . Позже было обнаружено, что некоторые астероиды вращаются по орбите в этих промежутках, но их орбиты нестабильны, и в конечном итоге они вырвутся из резонанса из-за близких столкновений с большой планетой.

Другой распространенной формой резонанса в Солнечной системе является спин-орбитальный резонанс, где период вращения (время, за которое планета или луна совершает один оборот вокруг своей оси) имеет простую числовую связь с ее орбитальным периодом. Примером может служить наша собственная Луна , которая находится в спин-орбитальном резонансе 1: 1, который удерживает обратную сторону Луны от Земли . Меркурий находится в спин-орбитальном резонансе 3: 2.

Предсказуемость [ править ]

Орбиты планет хаотичны в более длительных временных масштабах, так что вся Солнечная система обладает ляпуновским временем в диапазоне 2–230 миллионов лет. [3] Во всех случаях это означает, что положение планеты на ее орбите в конечном итоге невозможно предсказать с какой-либо уверенностью (так, например, время зимы и лета становится неопределенным), но в некоторых случаях сами орбиты могут измениться. резко. Такой хаос наиболее сильно проявляется в изменении эксцентриситета , когда орбиты некоторых планет становятся значительно более или менее эллиптическими . [7]

В расчетах неизвестные включают астероиды , солнечный квадрупольный момент , потерю массы Солнца из- за излучения и солнечного ветра , сопротивление солнечного ветра на магнитосфере планет , галактические приливные силы и эффекты от проходящих звезд . [8]

Сценарии [ править ]

Резонанс Нептуна-Плутона [ править ]

В Нептуне - Плутон система лежит в 3: 2 орбитальном резонансе . CJ Cohen и EC Hubbard из Dahlgren Division Центра боевых действий ВМС обнаружили это в 1965 году. Хотя сам резонанс останется стабильным в краткосрочной перспективе, становится невозможно предсказать положение Плутона с какой-либо степенью точности, так как неопределенность Положение увеличивается в e раз с каждым временем Ляпунова , что для Плутона составляет 10–20 миллионов лет в будущее. [9]Таким образом, в масштабе времени сотни миллионов лет орбитальная фаза Плутона становится невозможно определить, даже если орбита Плутона , кажется, совершенно стабильными на 10 MYR временных масштабов (Ito и Таникав 2002, MNRAS).

Резонанс луны Юпитера [ править ]

Орбитальный период спутника Юпитера Ио составляет 1,769 дня, что почти вдвое меньше, чем у следующего спутника Европы (3,551 дня). Они находятся в резонансе орбита / орбита 2: 1. Этот конкретный резонанс имеет важные последствия, потому что гравитация Европы возмущает орбиту Ио. По мере того, как Ио приближается к Юпитеру, а затем все дальше удаляется по орбите, он испытывает значительные приливные напряжения, приводящие к действию вулканов. Европа также находится в резонансе 2: 1 со следующим спутником Ганимедом .

Перигелий-прецессионный резонанс Меркурий-Юпитер 1: 1 [ править ]

Планета Меркурий особенно восприимчива к влиянию Юпитера из-за небольшого небесного совпадения: перигелий Меркурия , точка, где он приближается к Солнцу, прецессирует со скоростью примерно 1,5 градуса каждые 1000 лет, а перигелий Юпитера прецессирует лишь немного. помедленнее. В какой-то момент они могут синхронизироваться, и тогда постоянные гравитационные тяги Юпитера могут накапливаться и сбивать Меркурий с курса с вероятностью 1–2% на 3–4 миллиарда лет в будущем. Это может полностью выбросить его из Солнечной системы [1] или отправить на курс столкновения с Венерой , Солнцем или Землей. [10]

Влияние астероидов [ править ]

Хаос от геологических процессов [ править ]

Другой пример - наклон оси Земли, который из-за трения, возникающего в мантии Земли в результате приливных взаимодействий с Луной ( см. Ниже ), станет хаотичным в какой-то момент между 1,5 и 4,5 миллиардами лет с этого момента. [11]

Смотрите также: гипотеза сдвига полюсов

Внешние влияния [ править ]

На него также могут повлиять объекты, приходящие извне Солнечной системы. Хотя технически они не являются частью Солнечной системы для целей изучения внутренней стабильности системы, они, тем не менее, могут изменить систему. К сожалению, предсказать потенциальное влияние этих внесолнечных объектов даже сложнее, чем предсказать влияние объектов внутри системы просто из-за огромных расстояний. Среди известных объектов, способных существенно повлиять на Солнечную систему, - звезда Gliese 710 , которая, как ожидается, пройдет около системы примерно через 1,281 миллиона лет. [12]Хотя не ожидается, что звезда существенно повлияет на орбиты основных планет, она может существенно разрушить облако Оорта, что может вызвать большую активность комет во всей Солнечной системе. Есть по крайней мере дюжина других звезд, которые потенциально могут сблизиться в ближайшие несколько миллионов лет. [13]

Исследования [ править ]

LONGSTOP [ править ]

Проект LONGSTOP (Долгосрочное гравитационное исследование внешних планет) был организован в 1982 году международным консорциумом специалистов по динамике Солнечной системы под руководством Арчи Роя . Это включало создание модели на суперкомпьютере, объединяющей орбиты (только) внешних планет. Его результаты выявили несколько любопытных обменов энергией между внешними планетами, но никаких признаков явной нестабильности.

Digital Orrery [ править ]

Другой проект заключался в создании Digital Orrery Джерри Сассманом и его группой из Массачусетского технологического института в 1988 году. Группа использовала суперкомпьютер для интеграции орбит внешних планет за 845 миллионов лет (около 20 процентов возраста Солнечной системы). В 1988 году Сассман и Уисдом нашли данные с помощью Оррери, которые показали, что орбита Плутона демонстрирует признаки хаоса, отчасти из-за его особого резонанса с Нептуном . [9]

Если орбита Плутона хаотична, то технически вся Солнечная система хаотична, потому что каждое тело, даже такое маленькое, как Плутон, в некоторой степени влияет на другие через гравитационные взаимодействия. [14]

Ласкар №1 [ править ]

В 1989 году Жак Ласкар из Бюро долгот в Париже опубликовал результаты своего численного интегрирования Солнечной системы за 200 миллионов лет. Это были не полные уравнения движения, а скорее усредненные уравнения, подобные тем, которые использовал Лаплас . Работа Ласкара показала, что орбита Земли (а также орбиты всех внутренних планет) хаотична и что ошибка в 15 метров при измерении положения Земли сегодня сделает невозможным предсказать, где будет Земля. его орбита прошло чуть более 100 миллионов лет.

Ласкар и Гастино [ править ]

Жак Ласкар и его коллега Микаэль Гастино в 2008 году применили более тщательный подход, непосредственно смоделировав 2 500 возможных вариантов будущего. Каждый из 2 500 случаев имеет немного разные начальные условия: положение Меркурия варьируется примерно на 1 метр между одной симуляцией и другой. [15] В 20 случаях Меркурий выходит на опасную орбиту и часто сталкивается с Венерой или погружается в Солнце. Двигаясь по такой искривленной орбите, гравитация Меркурия с большей вероятностью заставит другие планеты сбиться с их постоянных путей: в одном смоделированном случае возмущения Меркурия отправили Марс в сторону Земли. [16]

Батыгин и Лафлин [ править ]

Независимо от Ласкара и Гастино, Батыгин и Лафлин также непосредственно моделировали Солнечную систему на 20 миллиардов (2 × 10 10 ) лет в будущем. Их результаты пришли к тем же основным выводам, что и Ласкар и Гастино, но дополнительно предоставили нижнюю границу в миллиард (1 × 10 9 ) лет динамической продолжительности жизни Солнечной системы. [17]

Браун и Рейн [ править ]

В 2020 году Гаретт Браун и Ханно Рейн из Университета Торонто опубликовали результаты своего численного интегрирования Солнечной системы за 5 миллиардов лет. Их работа показала, что орбита Меркурия очень хаотична и что ошибка в 0,38 миллиметра при измерении положения Меркурия сегодня сделает невозможным предсказать эксцентриситет его орбиты через 200 миллионов лет. [18]

См. Также [ править ]

  • Очистка окрестностей
  • Будущее Земли
  • Глобальный катастрофический риск
  • Резонансный транснептуновый объект

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Дж. Ласкар (1994). «Масштабный хаос в Солнечной системе». Астрономия и астрофизика . 287 : L9 – L12. Bibcode : 1994A & A ... 287L ... 9L .
  2. ^ Laskar, J .; П. Робутель; Ф. Жутель; М. Гастино; и другие. (2004). «Долгосрочное численное решение для инсоляционных величин Земли» (PDF) . Астрономия и астрофизика . 428 (1): 261. Bibcode : 2004A & A ... 428..261L . DOI : 10.1051 / 0004-6361: 20041335 .
  3. ^ a b Уэйн Б. Хейс (2007). «Является ли внешняя Солнечная система хаотичной?». Физика природы . 3 (10): 689–691. arXiv : astro-ph / 0702179 . Bibcode : 2007NatPh ... 3..689H . DOI : 10.1038 / nphys728 .
  4. ^ Гриббин, Джон. Глубокая простота. Случайный дом 2004.
  5. ^ Ласкар, Жак (2000), Солнечная система: стабильность , Bibcode : 2000eaa..bookE2198L
  6. ^ Холл, Нина (1994-09-01). Изучение хаоса . п. 110. ISBN 9780393312263.
  7. ↑ Ян Стюарт (1997). Играет ли Бог в кости? (2-е изд.). Книги пингвинов . С. 246–249. ISBN 978-0-14-025602-4.
  8. ^ Шина (17 сентября 2012). «Устойчивость солнечной системы» . SlideServe . Проверено 26 октября 2017 .
  9. ^ a b Джеральд Джей Сассман; Джек Уиздом (1988). «Численное свидетельство того, что движение Плутона хаотично» (PDF) . Наука . 241 (4864): 433–437. Bibcode : 1988Sci ... 241..433S . DOI : 10.1126 / science.241.4864.433 . ЛВП : 1721,1 / 6038 . PMID 17792606 .  
  10. ↑ Дэвид Шига (23 апреля 2008 г.). «Солнечная система может выйти из строя до того, как Солнце умрет» . Служба новостей NewScientist.com . Архивировано 31 декабря 2014 года . Проверено 31 марта 2015 .
  11. ^ О. Нерон де Surgy; Дж. Ласкар (февраль 1997 г.). «О долгосрочной эволюции вращения Земли». Астрономия и астрофизика . 318 : 975–989. Bibcode : 1997A & A ... 318..975N .
  12. ^ Бейлер-Джонс, Калифорния; Рыбиски, Дж; Andrae, R .; Фуэнно, М. (2018). «Новые встречи со звездами обнаружены во втором выпуске данных Gaia». Астрономия и астрофизика . 616 : A37. arXiv : 1805.07581 . Bibcode : 2018A & A ... 616A..37B . DOI : 10.1051 / 0004-6361 / 201833456 .
  13. Рианна Доджсон, Линдси (8 января 2017 г.). «Звезда мчится к нашей Солнечной системе и может сбить миллионы комет прямо к Земле» . Business Insider .
  14. ^ Стабильна ли Солнечная система? Архивировано 25 июня 2008 года на Wayback Machine.
  15. ^ Battersby, Стивен (10 июня 2009). «Планеты Солнечной системы могут выйти из-под контроля» . Новый ученый . Проверено 11 июня 2009 .
  16. ^ Laskar, J .; Гастино, М. (2009). «Существование траекторий столкновения Меркурия, Марса и Венеры с Землей». Природа . 459 (7248): 817–819. Bibcode : 2009Natur.459..817L . DOI : 10,1038 / природа08096 . PMID 19516336 . 
  17. ↑ Батыгин, Константин (2008). «О динамической устойчивости Солнечной системы». Астрофизический журнал . 683 (2): 1207–1216. arXiv : 0804.1946 . Bibcode : 2008ApJ ... 683.1207B . DOI : 10.1086 / 589232 .
  18. ^ Репозиторий ванильных долгосрочных интеграций Солнечной системы , 2020, arXiv : 2012.05177

Внешние ссылки [ править ]

  • Ласкар, Жак (2009). «Устойчивость Солнечной системы» . Scholarpedia . Проверено 18 декабря 2009 .
  • Дальний план: в далеком будущем планета может поразить Землю Space.com.
  • Проект LONGSTOP - Долгосрочное гравитационное исследование внешних планет