Μυστικές «συμμετρίες» προστατεύουν τη Γη από τις πλανητικές συγκρούσεις εδώ και 4,5 δισ. χρόνια

Μια νέα ανάλυση του χάους στο ηλιακό σύστημα αποκαλύπτει πώς αποφεύγονται οι πλανητικές συγκρούσεις για δισεκατομμύρια χρόνια.

Η Γη μάλλον δεν θα έπρεπε να υπάρχει σημειώνει η Άννα Ντέμινγκ (Anna Demming) στο Live Science.

Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι τροχιές των πλανητών του εσωτερικού ηλιακού συστήματος –Ερμής, Αφροδίτη, Γη και Άρης– είναι χαοτικές και τα μοντέλα υποστηρίζουν ότι αυτοί οι εσωτερικοί πλανήτες θα έπρεπε να έχουν συντριβεί ο ένας πάνω στον άλλο μέχρι τώρα.

Κι όμως, αυτό δεν έχει συμβεί.

Νέα έρευνα που δημοσιεύτηκε στις 3 Μαΐου στο περιοδικό Physical Review X μπορεί τελικά να εξηγήσει γιατί.

Μέσα από μια βαθιά βουτιά στα μοντέλα για την κίνηση των πλανητών, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι οι κινήσεις των εσωτερικών πλανητών περιορίζονται από ορισμένες παραμέτρους που λειτουργούν ως πρόσδεση που αναστέλλει το χάος του συστήματος.

Εκτός από την παροχή μιας μαθηματικής εξήγησης για τη φαινομενική αρμονία στο ηλιακό μας σύστημα, οι γνώσεις της νέας μελέτης μπορεί να βοηθήσουν τους επιστήμονες να κατανοήσουν τις τροχιές των εξωπλανητών που περιβάλλουν άλλα αστέρια.

Οι πλανήτες ασκούν συνεχώς μια αμοιβαία βαρυτική έλξη ο ένας στον άλλον – και αυτά τα μικρά ρυμουλκά κάνουν συνεχώς μικρές προσαρμογές στις τροχιές των πλανητών.

Οι εξωτερικοί πλανήτες, που είναι πολύ μεγαλύτεροι, είναι πιο ανθεκτικοί στα μικρά ρυμουλκά και έτσι διατηρούν σχετικά σταθερές τροχιές.

Το πρόβλημα των τριών σωμάτων

Το πρόβλημα των τροχιών του εσωτερικού πλανήτη, ωστόσο, εξακολουθεί να είναι πολύ περίπλοκο για να λυθεί ακριβώς.

Στα τέλη του 19ου αιώνα, ο μαθηματικός Henri Poincaré απέδειξε ότι είναι μαθηματικά αδύνατο να λυθούν οι εξισώσεις που διέπουν την κίνηση για τρία ή περισσότερα αντικείμενα που αλληλεπιδρούν, συχνά γνωστά ως «πρόβλημα των τριών σωμάτων».

Ως αποτέλεσμα, οι αβεβαιότητες στις λεπτομέρειες των αρχικών θέσεων και των ταχυτήτων των πλανητών αυξάνονται με την πάροδο του χρόνου.

Με άλλα λόγια: Είναι δυνατόν να πάρουμε δύο σενάρια στα οποία οι αποστάσεις μεταξύ του Ερμή, της Αφροδίτης, του Άρη και της Γης διαφέρουν κατά το παραμικρό, και σε ένα οι πλανήτες συγκρούονται μεταξύ τους και σε ένα άλλο απομακρύνονται.

Ο χρόνος που απαιτείται για δύο τροχιές με σχεδόν ίδιες συνθήκες εκκίνησης να αποκλίνουν κατά ένα συγκεκριμένο ποσό είναι γνωστός ως χρόνος Lyapunov του χαοτικού συστήματος.

Το 1989, ο Ζακ Λάσκαρ, αστρονόμος και διευθυντής έρευνας στο Εθνικό Κέντρο Επιστημονικής Έρευνας και του Παρατηρητηρίου του Παρισιού και συν-συγγραφέας της νέας μελέτης, υπολόγισε τη χαρακτηριστική ώρα Lyapunov για τις πλανητικές τροχιές του εσωτερικού ηλιακού συστήματος ήταν μόλις 5 εκατομμύρια χρόνια.

«Βασικά σημαίνει ότι χάνεις ένα ψηφίο κάθε 10 εκατομμύρια χρόνια», είπε ο Λάσκαρ στο Live Science.

Έτσι, για παράδειγμα, εάν η αρχική αβεβαιότητα στη θέση ενός πλανήτη είναι 15 μέτρα, 10 εκατομμύρια χρόνια αργότερα αυτή η αβεβαιότητα θα ήταν 150 μέτρα.

Μετά από 100 εκατομμύρια χρόνια, άλλα 9 ψηφία χάνονται, δίνοντας μια αβεβαιότητα 150 εκατομμυρίων χιλιομέτρων, που ισοδυναμεί με την απόσταση μεταξύ Γης και Ήλιου.

«Βασικά δεν έχεις ιδέα πού βρίσκεται ο πλανήτης», είπε ο Λάσκαρ.

Δεν είναι πολλά τα 100 εκατομμύρια χρόνια

Ενώ τα 100 εκατομμύρια χρόνια μπορεί να φαίνονται πολλά, το ίδιο το ηλιακό σύστημα είναι άνω των 4,5 δισεκατομμυρίων ετών και η έλλειψη δραματικών γεγονότων -όπως μια πλανητική σύγκρουση ή ένας πλανήτης που εκτινάσσεται από όλη αυτή τη χαοτική κίνηση- μπερδεύει τους επιστήμονες για πολύ καιρό.

Στη συνέχεια, ο Λάσκαρ εξέτασε το πρόβλημα με διαφορετικό τρόπο: προσομοιώνοντας τις τροχιές του εσωτερικού πλανήτη κατά τα επόμενα 5 δισεκατομμύρια χρόνια, περνώντας από τη μια στιγμή στην άλλη.

Βρήκε μόλις 1% πιθανότητα πλανητικής σύγκρουσης. Με την ίδια προσέγγιση, υπολόγισε ότι θα χρειαστούν, κατά μέσο όρο, περίπου 30 δισεκατομμύρια χρόνια για να συγκρουστούν οποιοσδήποτε από τους πλανήτες.

Χαλαρώνοντας το χάος

Ερευνώντας τα μαθηματικά, ο Λάσκαρ και οι συνεργάτες του εντόπισαν για πρώτη φορά «συμμετρίες» ή «διατηρημένες ποσότητες» στις βαρυτικές αλληλεπιδράσεις που δημιουργούν ένα «πρακτικό φράγμα στη χαοτική περιπλάνηση των πλανητών», είπε ο Λάσκαρ.

Αυτές οι αναδυόμενες ποσότητες παραμένουν σχεδόν σταθερές και αναστέλλουν ορισμένες χαοτικές κινήσεις, αλλά μην τις αποτρέψετε εντελώς, όπως το ανασηκωμένο χείλος ενός πιάτου δείπνου θα εμποδίσει την πτώση του φαγητού από το πιάτο αλλά δεν θα το αποτρέψει εντελώς. Μπορούμε να ευχαριστήσουμε αυτές τις ποσότητες για τη φαινομενική σταθερότητα του ηλιακού μας συστήματος.

Η Ρενού Μαλχότρα, Καθηγήτρια Πλανητικών Επιστημών στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα που δεν συμμετείχε στη μελέτη, τόνισε πόσο λεπτοί είναι οι μηχανισμοί που εντοπίστηκαν στη μελέτη.

Η Malhotra είπε στο Live Science ότι είναι ενδιαφέρον ότι «οι πλανητικές τροχιές του ηλιακού μας συστήματος παρουσιάζουν εξαιρετικά αδύναμο χάος».

Σε άλλη εργασία, ο Λάσκαρ και οι συνεργάτες του αναζητούν ενδείξεις για το εάν ο αριθμός των πλανητών στο ηλιακό σύστημα διέφερε ποτέ από αυτό που βλέπουμε σήμερα.

Παρά τη σταθερότητα που είναι εμφανής σήμερα, το αν αυτό συνέβαινε πάντα τα δισεκατομμύρια χρόνια πριν από την εξέλιξη της ζωής παραμένει ένα ανοιχτό ερώτημα.

Πηγή: Life Science / Anna Demming