Земля, вероятно, 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 все же этого не произошло. Новое исследование опубликовано в журнале Physical Review X может, наконец, объяснить, почему.
Исследователи обнаружили, что движения внутренних планет ограничиваются определенными параметрами, которые действуют как привязь, препятствующая хаосу в системе. Помимо предоставления математического объяснения кажущейся гармонии в нашей Солнечной системе, результаты нового исследования могут помочь ученым понять траектории экзопланет, окружающих другие звезды.
Планеты постоянно оказывают друг на друга взаимное гравитационное притяжение, и эти маленькие притяжения постоянно вносят незначительные коррективы в орбиты планет. Внешние планеты, которые намного крупнее, более устойчивы к небольшим рывкам и поэтому сохраняют сравнительно стабильные орбиты.
Однако проблема внутренних траекторий планет все еще слишком сложна, чтобы решить ее точно. Еще в конце 19 века математик Анри Пуанкаре доказал, что математически невозможно решить уравнения, управляющие движением трех или более взаимодействующих объектов, часто известные как «задача трех тел». В результате неопределенности в деталях начальных положений и скоростей планет со временем увеличиваются. Другими словами: можно взять два сценария, в которых расстояния между Меркурием, Венерой, Марсом и Землей различаются на незначительную величину, и в одном случае планеты сталкиваются друг с другом, а в другом расходятся.
Время, за которое две траектории с почти одинаковыми начальными условиями расходятся на определенную величину, называется ляпуновским временем хаотической системы. В 1989 году Жак Ласкар, астроном и руководитель исследований Национального центра научных исследований и Парижской обсерватории и соавтор нового исследования рассчитал характерное ляпуновское время для планетарных орбит внутренней Солнечной системы было всего 5 миллионов лет.
«По сути, это означает, что вы теряете одну цифру каждые 10 миллионов лет», — сказал Ласкар. Так, например, если начальная неопределенность положения планеты составляет 15 метров, то через 10 миллионов лет эта неопределенность составит 150 метров; через 100 миллионов лет теряются еще 9 цифр, что дает погрешность в 150 миллионов километров, что эквивалентно расстоянию между Землей и Солнцем. «По сути, вы понятия не имеете, где находится планета», — сказал Ласкар.
Хотя 100 миллионов лет могут показаться долгими, 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 ученых.
Затем Ласкар посмотрел на проблему по-другому: смоделировал траектории внутренних планет 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 на столкновение любой из планет потребуется в среднем около 30 миллиардов лет.
Углубившись в математику, Ласкар и его коллеги впервые определили «симметрии» или «сохраняющиеся величины» в гравитационных взаимодействиях, которые создают «практический барьер в хаотическом блуждании планет.
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.
Стоит отметить, что в другой своей работе Ласкар и его коллеги ищут подсказки относительно того, отличалось ли когда-либо количество планет в Солнечной системе от того, что мы видим сейчас. Несмотря на очевидную сегодня стабильность, всегда ли так было на протяжении миллиардов лет до возникновения жизни, остается открытым вопросом.