Стабильность Солнечной системы
Стабильность Солнечной системы является предметом многочисленных исследований в астрономии . Хотя планеты исторически были стабильными, как наблюдалось, и таковыми будут в «краткосрочной» перспективе, их слабое гравитационное воздействие друг на друга может складываться способами, которые невозможно предсказать никакими простыми средствами.
По этой причине (среди прочих) Солнечная система хаотична в техническом смысле , определяемом математической теорией хаоса . [1] и что хаотическое поведение ухудшает даже самые точные долгосрочные числовые или аналитические модели орбитального движения в Солнечной системе, поэтому они не могут быть действительными за пределами более чем нескольких десятков миллионов лет в прошлом или будущем – около 1% нынешний возраст. [2]
Солнечная система стабильна во времени существования человечества и далеко за его пределами, учитывая, что маловероятно, что какая-либо из планет столкнется друг с другом или будет выброшена из системы в ближайшие несколько миллиардов лет. [3] и что орбита Земли будет относительно стабильной. [4]
Со времени закона тяготения Ньютона (1687 г.) математики и астрономы (такие как Лаплас , Лагранж , Гаусс , Пуанкаре , Колмогоров , В. Арнольд и Дж. Мозер ) искали доказательства устойчивости движений планет, и этот поиск имел привело ко многим математическим разработкам и нескольким последовательным «доказательствам» стабильности Солнечной системы. [5]
Обзор и проблемы [ править ]
Орбиты планет открыты для долгосрочных изменений. Моделирование Солнечной системы — это случай n физической проблемы тел , которую обычно невозможно решить, кроме как с помощью численного моделирования. Из-за хаотического поведения, заложенного в математику, долгосрочные прогнозы могут быть только статистическими, а не точными.
Резонанс [ править ]
Орбитальный резонанс возникает, когда периоды любых двух объектов имеют простое числовое соотношение. Наиболее фундаментальным периодом для объекта в Солнечной системе является период его обращения , а орбитальные резонансы пронизывают Солнечную систему. В 1867 году американский астроном Дэниел Кирквуд заметил, что астероиды в главном поясе распределены не случайно. [6] В поясе были отчетливые разрывы в местах, соответствующих резонансам с Юпитером . Например, не было астероидов при резонансе 3:1 — на расстоянии 2,5 а.е. (370 миллионов км; 230 миллионов миль) — или при резонансе 2:1 на расстоянии 3,3 а.е. (490 миллионов км; 310 миллионов миль). Сейчас они известны как разрывы Кирквуда . Позже было обнаружено, что некоторые астероиды вращаются в этих промежутках, но при тщательном анализе их орбиты оказались нестабильными, и в конечном итоге они выйдут из резонанса из-за тесного столкновения с крупной планетой. [ нужна ссылка ]
Другой распространенной формой резонанса в Солнечной системе является спин-орбитальный резонанс, при котором период вращения (время, необходимое планете или луне для одного оборота вокруг своей оси) имеет простую числовую зависимость от периода ее обращения. Примером может служить Луна , которая находится в спин-орбитальном резонансе 1:1, поэтому ее дальняя сторона находится вдали от Земли. (Эта особенность также известна как приливная блокировка .) Другим примером является Меркурий , который находится в спин-орбитальном резонансе 3:2 с Солнцем.
Предсказуемость [ править ]
Орбиты планет хаотичны в более длительных временных масштабах, так что вся Солнечная система имеет время Ляпунова в диапазоне 2–230 миллионов лет. [3] В любом случае это означает, что положение отдельных планет на их орбитах в конечном итоге становится невозможно предсказать с какой-либо уверенностью. В некоторых случаях сами орбиты могут кардинально измениться. Подобный хаос наиболее сильно проявляется в изменении эксцентриситета , при этом орбиты некоторых планет становятся значительно более или менее эллиптическими . [7] [а]
В расчетах неизвестные включают астероиды , солнечный квадрупольный момент , потерю массы Солнца из -за радиации и солнечного ветра , сопротивление солнечного ветра планетарным магнитосферам , галактические приливные силы и эффекты от пролетающих звезд . [8]
Сценарии [ править ]
- Резонанс Плутон Нептун
Система Нептун - Плутон 3:2 находится в орбитальном резонансе . Си Джей Коэн и Э. К. Хаббард из Дальгренского центра надводных боевых действий ВМС обнаружили это в 1965 году. Хотя сам резонанс останется стабильным в краткосрочной перспективе, становится невозможным предсказать положение Плутона с какой-либо степенью точности, поскольку неопределенность в раз положение увеличивается в е с каждым ляпуновским временем , которое для Плутона составляет 10–20 миллионов лет. [9] Таким образом, во временном масштабе в сотни миллионов лет определение орбитальной фазы Плутона становится невозможным, даже если орбита Плутона кажется совершенно стабильной в 10 млн лет масштабе времени ( Ito & Tanikawa 2002, MNRAS ).
перигелия Меркурий-Юпитер 1: Резонанс прецессии 1
Планета Меркурий особенно восприимчива к влиянию Юпитера из-за небольшого небесного совпадения: перигелий Меркурия , точка, где он приближается к Солнцу, прецессирует со скоростью около 1,5 градусов каждые 1000 лет, а перигелий Юпитера прецессирует лишь немного. помедленнее. В какой-то момент они могут синхронизироваться, и тогда постоянные гравитационные силы Юпитера могут накопиться и сбить 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 его на курс столкновения с Венерой , Солнцем или Землей. [10]
В скорости прецессии перигелия Меркурия преобладают взаимодействия между планетами, но около 7,5% скорости прецессии перигелия Меркурия обусловлено эффектами, описываемыми общей теорией относительности . [11] Работа Ласкара и Гастино ( описанная ниже ) показала важность общей теории относительности (ОТО) для долгосрочной стабильности Солнечной системы. В частности, без ОТО скорость нестабильности Меркурия была бы в 60 раз выше, чем с ОТО. [12] Моделируя время нестабильности Меркурия как одномерный Фоккера-Планка диффузионный процесс , можно статистически исследовать связь между временем нестабильности Меркурия и резонансом прецессии перигелия Меркурия-Юпитера 1:1. [13] Эта диффузионная модель показывает, что ОТО не только отдаляет Меркурий и Юпитер от попадания в резонанс 1:1, но также уменьшает скорость, с которой Меркурий диффундирует через фазовое пространство . [14] Таким образом, ОТО не только снижает вероятность нестабильности Меркурия, но и продлевает время, в которое она может произойти.
Галилеево-лунный резонанс [ править ]
Юпитера Галилеевы спутники испытывают сильное приливное рассеяние и взаимное взаимодействие из-за их размера и близости к Юпитеру. В настоящее время Ио , Европа и Ганимед находятся в резонансе Лапласа 4:2:1 друг с другом, причем каждая внутренняя луна совершает два оборота на каждую орбиту следующей луны. Примерно через 1,5 миллиарда лет миграция этих спутников наружу приведет к тому, что четвертая и самая дальняя луна, Каллисто , попадет в еще один резонанс 2:1 с Ганимедом. Этот резонанс 8:4:2:1 заставит Каллисто мигрировать наружу, и он может оставаться стабильным с вероятностью примерно 56% или разрушаться, когда Ио обычно выходит из цепи. [15]
Хаос геологических процессов [ править ]
Земли Другим примером является наклон оси Земли , который из-за трения, возникающего в мантии в результате приливных взаимодействий с Луной , станет хаотичным через 1,5–4,5 миллиарда лет. [16] [б]
Внешние воздействия [ править ]
На нее также могут повлиять объекты, прилетающие из-за пределов Солнечной системы. Хотя технически они не являются частью Солнечной системы с точки зрения изучения внутренней стабильности системы, они, тем не менее, могут ее изменить. К сожалению, предсказать потенциальное влияние этих внесолнечных объектов еще сложнее, чем предсказать влияние объектов внутри системы, просто из-за огромных расстояний. Среди известных объектов, способных оказать существенное влияние на Солнечную систему, — звезда Глизе 710 , которая, как ожидается, пройдет мимо системы примерно через 1,281 миллиона лет. [17] Хотя ожидается, что звезда не окажет существенного влияния на орбиты крупных планет, она может существенно разрушить облако Оорта , потенциально вызывая крупную кометную активность во всей Солнечной системе. Есть как минимум дюжина других звезд, у которых есть потенциал приблизиться к нам в ближайшие несколько миллионов лет. [18] В 2022 году Гаретт Браун и Ханно Рейн из Университета Торонто опубликовали исследование, посвященное долгосрочной стабильности Солнечной системы в присутствии слабых возмущений от пролетов звезд. Они определили, что если проходящая звезда изменит большую полуось Нептуна . хотя бы на 0,03 а.е. (4,49 миллиона км; 2,79 миллиона миль), это увеличит вероятность нестабильности в 10 раз в течение последующих 5 миллиардов лет [б] Они также подсчитали, что пролет такого масштаба вряд ли произойдет в ближайшие 100 миллиардов лет. [19]
исследования Недавние
ЛонгСтОП, 1982 г. [ править ]
Проект LongGStOP (Долгосрочное гравитационное исследование внешних планет) представлял собой международный консорциум специалистов по динамике Солнечной системы, созданный в 1982 году под руководством А.Э. Роя . Он включал создание модели на суперкомпьютере, объединяющей орбиты (только) внешних планет. Его результаты выявили несколько любопытных обменов энергией между внешними планетами, но не выявили никаких признаков грубой нестабильности. [20]
, 1988 г. Цифровая Оррери
Другой проект включал создание Digital Orrery и Г. Сассманом его группой из Массачусетского технологического института в 1988 году. Группа использовала специальный компьютер, многопроцессорная архитектура которого была оптимизирована для интеграции орбит внешних планет. Его использовали для интегрирования до 845 миллионов лет – около 20% возраста Солнечной системы. В 1988 году Сассман и Уиздом с помощью Оррери нашли данные, которые показали, что на орбите Плутона наблюдаются признаки хаоса, отчасти из-за его своеобразного резонанса с Нептуном . [9]
Если орбита Плутона хаотична, то технически хаотична и вся Солнечная система. Это может быть чем-то большим, чем формальность, поскольку даже такое маленькое тело Солнечной системы, как Плутон, может в заметной степени влиять на другие тела посредством кумулятивных гравитационных возмущений . [21]
Воины, 1989 год [ 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 хаотична (как и орбиты всех ) внутренних планет и что ошибка всего в 15 метров в измерении положения Земли сегодня сделает невозможным предсказать, где Земля будет находиться в своем орбите через чуть более 100 миллионов лет.
Ласкар и Гастино 2009 г. ,
Жак Ласкар и его коллега Микаэль Гастино в 2008 году применили более тщательный подход, напрямую смоделировав 2501 возможный вариант будущего. Каждый из 2501 случаев имеет несколько разные начальные условия: положение Меркурия варьируется примерно на 1 метр (3,3 фута ) между одной симуляцией и другой. [22] В 20 случаях Меркурий выходит на опасную орбиту и нередко сталкивается с Венерой или погружается в Солнце. Двигаясь по такой искривленной орбите, гравитация Меркурия с большей вероятностью сбивает другие планеты с их привычных траекторий: в одном смоделированном случае возмущения Меркурия отправили Марс в сторону Земли. [12]
, 2008 Батыгин и Лафлин г.
Независимо от Ласкара и Гастино, Батыгин и Лафлин также напрямую моделировали Солнечную систему на 20 миллиардов лет вперед. [б] Их результаты пришли к тем же основным выводам, что и Ласкар и Гастино , а также предоставили нижнюю границу динамической продолжительности жизни Солнечной системы в миллиард лет. [23]
Браун и Рейн, 2020 г. [ править ]
В 2020 году Гаретт Браун и Ханно Рейн из Университета Торонто опубликовали результаты численного интегрирования Солнечной системы за 5 миллиардов лет. [б] Их работа показала, что орбита Меркурия очень хаотична и что ошибка всего в 0,38 миллиметра (0,015 дюйма ) при измерении положения Меркурия сегодня сделает невозможным предсказание эксцентриситета его орбиты через чуть более 200 миллионов лет. [24]
Сноски [ править ]
- ^ Влияние колебаний эксцентриситета орбиты на форму орбиты аналогично изменению формы обода звонящего колокола, если пренебречь смещением геометрического центра орбиты из стороны в сторону. Аналогия не может отразить все изменение орбиты, потому что, хотя гравитационный центр орбиты остается почти неподвижным на Солнце, его геометрический центр качается из стороны в сторону с той же скоростью, что и колебания эксцентриситета; геометрический центр звонящего колокола остается фиксированным или может качаться лишь на несколько порядков медленнее, чем вибрирует его край.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д Динамическое моделирование Солнечной системы на ближайшие 4 миллиарда лет значительно осложняется переходом Солнца в старую гигантскую фазу : Солнце будет терять массу с неопределенной скоростью, нагреваться и сильно расширяться. из которых изменится динамика планетарных орбит.
См. также [ править ]
- Очистка окрестностей
- Будущее Земли
- Глобальный катастрофический риск
- Резонансный транснептуновый объект
Ссылки [ править ]
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Ласкар, Дж. (1994). «Масштабный хаос в Солнечной системе». Астрономия и астрофизика . 287 : L9–L12. Бибкод : 1994A&A...287L...9L .
- ^ Ласкар, Дж. ; Робутель, П.; Жутель, Ф.; Гастино, М.; Коррейя, ACM и Леврард, Б. (2004). «Долгосрочное численное решение для измерения инсоляции Земли» (PDF) . Астрономия и астрофизика . 428 (1): 261. Бибкод : 2004A&A...428..261L . дои : 10.1051/0004-6361:20041335 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Хейс, Уэйн Б. (2007). «Хаотична ли внешняя Солнечная система?». Физика природы . 3 (10): 689–691. arXiv : astro-ph/0702179 . Бибкод : 2007NatPh...3..689H . дои : 10.1038/nphys728 . S2CID 18705038 .
- ^ Гриббин, Джон (2004). Глубокая простота . Случайный дом.
- ^ Ласкар, Жак (2000). Солнечная система: стабильность . Бибкод : 2000eaa..bookE2198L .
- ^ Холл, Нина (сентябрь 1994 г.). Исследование Хаоса . WW Нортон и компания. п. 110. ИСБН 9780393312263 – через книги Google.
- ^ Стюарт, Ян (1997). Играет ли Бог в кости? (2-е изд.). Книги о пингвинах . стр. 246–249. ISBN 978-0-14-025602-4 .
- ^ Шина (17 сентября 2012 г.). Стабильность Солнечной системы . SlideServe (слайды и подписи) . Проверено 26 октября 2017 г. — Включает ссылки на источники.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Сассман, Джеральд Джей; Мудрость, Джек (1988). «Численные доказательства того, что движение Плутона хаотично» (PDF) . Наука . 241 (4864): 433–437. Бибкод : 1988Sci...241..433S . дои : 10.1126/science.241.4864.433 . hdl : 1721.1/6038 . ПМИД 17792606 . S2CID 1398095 — через groups.csail.mit.edu.
- ^ Сига, Дэвид (23 апреля 2008 г.). «Солнечная система может выйти из строя еще до того, как умрет Солнце» . Служба новостей. Новый учёный . Архивировано из оригинала 31 декабря 2014 года . Проверено 31 марта 2015 г.
- ^ Парк, Райан С.; Фолкнер, Уильям М.; Коноплив Александр Сергеевич; Уильямс, Джеймс Г.; Смит, Дэвид Э.; Зубер, Мария Т. (22 февраля 2017 г.). «Прецессия перигелия Меркурия от расстояния до космического корабля « Мессенджер » . Астрономический журнал . 153 (3): 121. Бибкод : 2017AJ....153..121P . дои : 10.3847/1538-3881/aa5be2 . hdl : 1721.1/109312 . ISSN 1538-3881 . S2CID 125439949 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Ласкар, Дж.; Гастино, М. (2009). «Существование траекторий столкновения Меркурия, Марса и Венеры с Землей». Природа . 459 (7248): 817–819. Бибкод : 2009Natur.459..817L . дои : 10.1038/nature08096 . ПМИД 19516336 . S2CID 4416436 .
- ^ Могаверо, Федерико; Ласкар, Жак (2021). «Многолетняя динамика внутренних планет Солнечной системы». Астрономия и астрофизика . 655 : А1. arXiv : 2105.14976 . Бибкод : 2021A&A...655A...1M . дои : 10.1051/0004-6361/202141007 . S2CID 239651491 .
- ^ Браун, Гаретт; Рейн, Ханно (10 марта 2023 г.). «Общая релятивистская прецессия и долговременная стабильность Солнечной системы» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 521 (3): 4349–4355. arXiv : 2303.05567 . дои : 10.1093/mnras/stad719 . ISSN 0035-8711 .
- ^ Лари, Джакомо; Сайленфест, Мелейн; Фенуччи, Марко (июль 2020 г.). «Долгосрочная эволюция галилеевых спутников: захват Каллисто в резонанс». Астрономия и астрофизика . 639 : А40. arXiv : 2001.01106 . Бибкод : 2020A&A...639A..40L . дои : 10.1051/0004-6361/202037445 . S2CID 209862163 .
- ^ де Сюржи, О. Нерон; Ласкар, Дж. (февраль 1997 г.). «О долгосрочной эволюции вращения Земли». Астрономия и астрофизика . 318 : 975–989. Бибкод : 1997A&A...318..975N .
- ^ Бэйлер-Джонс, Калифорния; Рыбицкий, Дж; Андре, Р.; Фуэнеа, М. (2018). «Новые встречи звезд обнаружены во втором выпуске данных Gaia». Астрономия и астрофизика . 616 : А37. arXiv : 1805.07581 . Бибкод : 2018A&A...616A..37B . дои : 10.1051/0004-6361/201833456 . S2CID 56269929 .
- ^ Доджсон, Линдси (8 января 2017 г.). «Звезда мчится к нашей Солнечной системе и может сбить миллионы комет прямо к Земле» . Бизнес-инсайдер .
- ^ Браун, Гаретт; Рейн, Ханно (30 июня 2022 г.). «О долговременной устойчивости Солнечной системы при наличии слабых возмущений от пролетов звезд» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 515 (4): 5942–5950. arXiv : 2206.14240 . дои : 10.1093/mnras/stac1763 . Проверено 8 июля 2022 г.
- ^ Рой, А.Е.; Уокер, Иллинойс; Макдональд, Эй Джей; Уильямс, IP; Фокс, К.; Мюррей, компакт-диск; и др. (1988). «Проект ЛонгСтОП». Перспективы в астрономии . 32 (2): 95–116. Бибкод : 1988ВА.....32...95Р . дои : 10.1016/0083-6656(88)90399-6 .
- ^ «Стабильна ли Солнечная система?» . Fortunecity.com . Архивировано из оригинала 25 июня 2008 года.
- ^ Баттерсби, Стивен (10 июня 2009 г.). «Планеты Солнечной системы могут выйти из-под контроля» . Новый учёный . Проверено 11 июня 2009 г.
- ^ Батыгин, Константин (2008). «О динамической устойчивости Солнечной системы». Астрофизический журнал . 683 (2): 1207–1216. arXiv : 0804.1946 . Бибкод : 2008ApJ...683.1207B . дои : 10.1086/589232 . S2CID 5999697 .
- ^ Браун, Гаретт; Рейн, Ханно (2020). «Хранилище ванильных долгосрочных интеграций Солнечной системы» . Исследовательские заметки Американского астрономического общества . 4 (12): 221. arXiv : 2012.05177 . Бибкод : 2020RNAAS...4..221B . дои : 10.3847/2515-5172/abd103 . S2CID 228063964 .
Внешние ссылки [ править ]
- Ласкар, Жак (2009). «Стабильность Солнечной системы» . Схоларпедия . Проверено 18 декабря 2009 г.
- «В перспективе: Планета может столкнуться с Землей в далеком будущем» . Space.com .
- «Проект LonGStOP — долгосрочное гравитационное исследование внешних планет» (аннотация статьи) – через adabs.harvard.edu.
