Solsystemets stabilitet
Solsystemets stabilitet är föremål för mycket forskning inom astronomi . Även om planeterna har varit stabila när de observerats historiskt, och kommer att vara det på kort sikt, kan deras svaga gravitationseffekter på varandra läggas till på oförutsägbara sätt.
Av denna anledning (bland annat) är solsystemet kaotiskt i teknisk mening av matematisk kaosteori , och även de mest exakta långtidsmodellerna för solsystemets omloppsrörelse är inte giltiga över mer än några tiotals miljoner år.
Solsystemet är stabilt i mänskliga termer, och långt bortom, med tanke på att det är osannolikt att någon av planeterna kommer att kollidera med varandra eller kastas ut ur systemet under de närmaste miljarderna åren, och att jordens omloppsbana kommer att vara relativt stabil .
Sedan Newtons gravitationslag (1687) har matematiker och astronomer (som Pierre-Simon Laplace , Joseph Louis Lagrange , Carl Friedrich Gauss , Henri Poincaré , Andrey Kolmogorov , Vladimir Arnold och Jürgen Moser ) sökt efter bevis för stabiliteten i planetariska rörelser, och denna strävan ledde till många matematiska utvecklingar och flera på varandra följande "bevis" på stabiliteten i solsystemet.
Överblick och utmaningar
Planeternas banor är öppna för långsiktiga variationer. Att modellera solsystemet är ett fall av fysikens n -kroppsproblem , som i allmänhet är olösligt förutom genom numerisk simulering.
Resonans
En orbital resonans inträffar när två valfria perioder har ett enkelt numeriskt förhållande. Den mest grundläggande perioden för ett objekt i solsystemet är dess omloppsperiod , och omloppsresonanser genomsyrar solsystemet. 1867 märkte den amerikanske astronomen Daniel Kirkwood att asteroider i asteroidbältet inte är slumpmässigt fördelade. Det fanns tydliga luckor i bältet på platser som motsvarade resonanser med Jupiter . Till exempel fanns det inga asteroider vid 3:1-resonansen - ett avstånd på 2,5 AU (370 miljoner km; 230 miljoner mi) - eller vid 2:1-resonansen vid 3,3 AU (490 miljoner km; 310 miljoner mi). Dessa är nu kända som Kirkwood gaps . Några asteroider upptäcktes senare att kretsa i dessa luckor, men deras banor är instabila och de kommer så småningom att bryta sig ur resonansen på grund av nära möten med en större planet.
En annan vanlig form av resonans i solsystemet är spin-omloppsresonans, där rotationsperioden (den tid det tar för planeten eller månen att rotera en gång runt sin axel) har ett enkelt numeriskt samband med dess omloppsperiod. Ett exempel är månen , som befinner sig i en 1:1 spin-omloppsresonans som håller sin bortre sida borta från jorden. (Denna funktion är också känd som " tidvattenlåsning. ") Ett annat exempel är Merkurius , som är i en 3:2 spin-omloppsresonans med solen.
Förutsägbarhet
Planeternas banor är kaotiska över längre tidsskalor, på ett sådant sätt att hela solsystemet har en Lyapunov-tid i intervallet 2–230 miljoner år. I alla fall innebär detta att positionen för en planet längs dess bana i slutändan blir omöjlig att förutsäga med någon säkerhet. I vissa fall kan själva banorna förändras dramatiskt. Sådant kaos manifesterar sig starkast som förändringar i excentricitet , med vissa planets banor som blir betydligt mer - eller mindre - elliptiska .
I beräkningen inkluderar de okända asteroider , sol- quadrupolemomentet , massförlust från solen genom strålning och solvind , solvindens motstånd på planetariska magnetosfärer , galaktiska tidvattenkrafter och effekter från passerande stjärnor .
Scenarier
Neptunus-Pluto resonans
Neptunus - Pluto- systemet ligger i en 3:2 orbital resonans . CJ Cohen och EC Hubbard vid Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division upptäckte detta 1965. Även om resonansen i sig kommer att förbli stabil på kort sikt, blir det omöjligt att förutsäga Plutos position med någon grad av noggrannhet, eftersom osäkerheten i positionen växer med en faktor e för varje Lyapunov-tid , vilket för Pluto ligger 10–20 miljoner år in i framtiden. På en tidsskala av hundratals miljoner år blir Plutos omloppsfas omöjlig att bestämma, även om Plutos omloppsbana verkar vara perfekt stabil på 10 MYR tidsskalor (Ito och Tanikawa 2002, MNRAS).
Merkurius–Jupiter 1:1 perihelion-precessionsresonans
Planeten Merkurius är särskilt mottaglig för Jupiters inflytande på grund av ett litet himmelskt sammanträffande: Merkurius perihelion , den punkt där den kommer närmast solen, precesserar med en hastighet av cirka 1,5 grader vart 1000:e år, och Jupiters perihelion precesserar bara lite långsammare. Vid ett tillfälle kan de två falla i synkronisering, då Jupiters konstanta gravitationsdragkraft kan samlas och dra Merkurius ur kurs med 1–2 % sannolikhet, 3–4 miljarder år in i framtiden. Detta kan skjuta ut det från solsystemet helt och hållet eller skicka det på en kollisionskurs med Venus , solen eller jorden.
Merkurius perihelionprecessionshastighet domineras av planet-planetinteraktioner, men cirka 7,5% av Merkurius perihelionprecessionshastighet kommer från effekterna som beskrivs av allmän relativitet . Arbetet av Laskar och Gastineau (beskrivs nedan) visade vikten av allmän relativitet i långsiktig stabilitet i solsystemet. Specifikt, utan GR skulle kvicksilverets instabilitetsgrad vara 60 gånger högre än med GR. Genom att modellera instabilitetstiden för Merkurius som en endimensionell Fokker-Planck- diffusionsprocess kan förhållandet mellan instabilitetstiden för Merkurius och Merkurius-Jupiter 1:1 perihelion-precessionresonans undersökas statistiskt. Denna diffusionsmodell visar att GR inte bara distanserar Merkurius och Jupiter från att falla i en 1:1-resonans, utan minskar också hastigheten med vilken Merkurius diffunderar genom fasrymden . Sålunda minskar GR inte bara sannolikheten för Merkurius instabilitet, utan förlänger också tiden då det sannolikt inträffar.
Galileisk månresonans
Jupiters galileiska månar upplever stark tidvattenavledning och ömsesidig interaktion på grund av deras storlek och närhet till Jupiter. För närvarande Io , Europa och Ganymedes i en 4:2:1 Laplace-resonans med varandra, där varje måne fullbordar två omlopp för varje bana i nästa. Om cirka 1,5 miljarder år kommer utåtgående migration av dessa månar att fånga den fjärde och yttersta månen, Callisto , i en annan 2:1-resonans med Ganymedes. Denna 8:4:2:1-resonans kommer att få Callisto att migrera utåt, och den kan förbli stabil med ungefär 56 % sannolikhet, eller bli störd när Io vanligtvis lämnar kedjan.
Kaos från geologiska processer
Ett annat exempel är jordens axiella lutning , som, på grund av friktion som höjs inuti jordens mantel av tidvatteninteraktioner med månen , kommer att göras kaotisk mellan 1,5 och 4,5 miljarder år från nu.
Yttre influenser
Objekt som kommer utanför solsystemet kan också påverka det. Även om de tekniskt sett inte är en del av solsystemet i syfte att studera systemets inneboende stabilitet, kan de ändå ändra den. Tyvärr är det ännu svårare att förutsäga den potentiella påverkan av dessa extrasolära objekt än att förutsäga påverkan av objekt inom systemet helt enkelt på grund av de rena avstånden som är involverade. Bland de kända objekten med potential att avsevärt påverka solsystemet är stjärnan Gliese 710 , som förväntas passera nära systemet om cirka 1,281 miljoner år. Även om stjärnan inte förväntas påverka de stora planeternas banor väsentligt, kan den avsevärt störa Oorts moln , vilket potentiellt kan orsaka stor kometaktivitet i hela solsystemet. Det finns åtminstone ett dussin andra stjärnor som har potential att närma sig de närmaste miljoner åren. År 2022 publicerade Garett Brown och Hanno Rein vid University of Toronto en studie som undersökte solsystemets långsiktiga stabilitet i närvaro av svaga störningar från stjärnflyg. De fastställde att om en passerande stjärna ändrade Neptunus halvstora axel med minst 0,03 AU (4,49 miljoner km; 2,79 miljoner mi) skulle det öka risken för instabilitet med 10 gånger under de efterföljande 5 miljarderna åren . De uppskattade också att en förbiflygning av den här storleken sannolikt inte kommer att inträffa på 100 miljarder år.
Studier
LÅNGSTOPP
Project LONGSTOP (Långsiktig gravitationsstudie av de yttre planeterna) var ett internationellt konsortium av solsystemdynamiker från 1982 ledd av Archie Roy . Det involverade skapandet av en modell på en superdator, som integrerade banorna för (endast) de yttre planeterna. Dess resultat avslöjade flera märkliga utbyten av energi mellan de yttre planeterna, men inga tecken på grov instabilitet.
Digital Orrery
Ett annat projekt involverade att konstruera Digital Orrery av Gerry Sussman och hans MIT-grupp 1988. Gruppen använde en superdator för att integrera omloppsbanorna för de yttre planeterna över 845 miljoner år (ungefär 20 procent av solsystemets ålder). 1988 hittade Sussman och Wisdom data med hjälp av Orrery som avslöjade att Plutos bana visar tecken på kaos, delvis på grund av dess speciella resonans med Neptunus .
Om Plutos bana är kaotisk, så är tekniskt sett hela solsystemet kaotiskt, eftersom varje kropp, även en så liten som Pluto, påverkar de andra till viss del genom gravitationsinteraktioner.
Laskar 1
1989 publicerade Jacques Laskar från Bureau des Longitudes i Paris resultaten av sin numeriska integration av solsystemet under 200 miljoner år. Dessa var inte de fullständiga rörelseekvationerna, utan snarare genomsnittliga ekvationer i linje med de som användes av Laplace . Laskars arbete visade att jordens bana (liksom alla de inre planeternas banor) är kaotisk och att ett så litet fel som 15 meter vid mätning av jordens position idag skulle göra det omöjligt att förutsäga var jorden skulle befinna sig. sin omloppsbana på drygt 100 miljoner år.
Laskar och Gastineau
Jacques Laskar och hans kollega Mickaël Gastineau tog 2008 ett mer grundligt tillvägagångssätt genom att direkt simulera 2 501 möjliga framtider. Vart och ett av de 2 501 fallen har något olika initiala förutsättningar: Merkurius position varierar med cirka 1 meter (3,3 fot ) mellan en simulering och nästa. I 20 fall går Merkurius in i en farlig omloppsbana och hamnar ofta i att kollidera med Venus eller störta in i solen. Att röra sig i en sådan skev omloppsbana är mer sannolikt att Merkurius gravitation kommer att skaka andra planeter ur sina fasta banor: I ett simulerat fall skickade Mercurys störningar Mars på väg mot jorden.
Batygin och Laughlin
Oberoende av Laskar och Gastineau simulerade Batygin och Laughlin också direkt solsystemet 20 miljarder år in i framtiden. Deras resultat nådde samma grundläggande slutsatser som Laskar och Gastineau, samtidigt som de dessutom gav en nedre gräns på en miljard år på solsystemets dynamiska livslängd.
Brown och Rein
År 2020 publicerade Garett Brown och Hanno Rein vid University of Toronto resultaten av deras numeriska integration av solsystemet under 5 miljarder år. Deras arbete visade att Merkurius bana är mycket kaotisk och att ett så litet fel som 0,38 millimeter (0,015 tum ) vid mätning av Merkurius position idag skulle göra det omöjligt att förutsäga excentriciteten i dess bana om drygt 200 miljoner år.
Se även
externa länkar
- Laskar, Jacques (2009). "Solsystemets stabilitet" . Scholarpedia . Hämtad 2009-12-18 .
- Long Shot: Planet Could Hit Earth in Distant Future Space.com.
- Projekt LONGSTOP - Långsiktig gravitationsstudie av de yttre planeterna
