Nowe badanie podważyło konwencjonalne rozumienie problemu trzech ciał, ujawniając, że interakcje grawitacyjne między trzema masywnymi obiektami mogą powodować zaskakujące prawidłowości.
Kiedy trzy masywne obiekty spotykają się w przestrzeni, oddziałują na siebie poprzez grawitację w sposób, który zazwyczaj ewoluuje w nieprzewidywalny sposób. Jednym słowem: chaos. Taka jest konwencjonalna mądrość. Jednak badacz z Uniwersytetu w Kopenhadze odkrył, że te spotkania często pozwalają uniknąć chaosu i zamiast tego wykazują regularne wzorce, co często skutkuje szybkim wyrzuceniem jednego z obiektów z układu. Ten przełom może mieć kluczowe znaczenie dla naszego zrozumienia fale grawitacyjne i wiele innych zjawisk kosmicznych.
Odkrywanie kosmicznego chaosu i tajemnic matematycznych
Obecnie najpopularniejszym serialem w serwisie Netflix jest serial science fiction „Problem 3 ciał”. Oparta na chińskiej serii powieści Liu Cixina, seria ta przedstawia różnorodną obsadę postaci, obejmuje różne okresy i przedstawia gości pozaziemskich. Jego głównym tematem jest układ gwiazd, w którym trzy gwiazdy krążą wokół siebie.
Taki układ, składający się z trzech obiektów wpływających na swoją grawitację, intryguje naukowców od czasu, gdy po raz pierwszy opisał go „ojciec grawitacji”, Izaak Newton. Chociaż interakcje między dwoma obiektami spotykającymi się w przestrzeni są przewidywalne, wprowadzenie trzeciego masywnego obiektu sprawia, że triadyczne spotkanie jest nie tylko bardzo złożone, ale i chaotyczne.
„Problem trzech ciał jest jednym z najsłynniejszych nierozwiązywalnych problemów matematyki i fizyki teoretycznej. Teoria głosi, że gdy spotykają się trzy obiekty, ich interakcja rozwija się chaotycznie, bez regularności i całkowicie oderwana od punktu początkowego. Jednak miliony naszych symulacji pokazują, że w tym chaosie istnieją luki – „wyspy regularności” – które bezpośrednio zależą od położenia trzech obiektów względem siebie w momencie spotkania, a także od ich prędkości i kąta podejścia” – wyjaśnia. Alessandro Alberto Trani z Instytutu Nielsa Bohra na Uniwersytecie w Kopenhadze.
Przełomowanie nowych możliwości w modelach astrofizycznych
Trani ma nadzieję, że odkrycie utoruje drogę do udoskonalonych modeli astrofizycznych, ponieważ Problem Trzech Ciał nie jest jedynie wyzwaniem teoretycznym. Spotkanie trzech obiektów we wszechświecie jest zjawiskiem powszechnym i jego zrozumienie jest kluczowe.
„Jeśli mamy zrozumieć fale grawitacyjne emitowane przez czarne dziury i inne masywne obiekty w ruchu, istotne są interakcje między czarnymi dziurami podczas ich spotykania się i łączenia. W grę wchodzą ogromne siły, szczególnie gdy spotykają się trzy z nich. Dlatego nasze zrozumienie takich spotkań może być kluczem do zrozumienia takich zjawisk, jak fale grawitacyjne, sama grawitacja i wielu innych fundamentalnych tajemnic wszechświata” – mówi badacz.
Ciekawostki: Problem 4 ciał
Podczas pandemii Alessandro Alberto Trani rozpoczął poboczny projekt mający na celu zbadanie wszechświatów fraktalnych w ramach problemu trzech ciał. Wtedy właśnie wpadł na pomysł mapowania wyników w poszukiwaniu prawidłowości.
Znał ten słynny problem ze studiów, ale nie zagłębiał się w literaturę faktu – niedawny serial Netflixa ani stojącą za nim powieść „Problem trzech ciał” Liu Cixina. Niemniej jednak z ciekawości zapoznał się z fabułą na tyle, aby stwierdzić, że tak naprawdę dotyczy ona „Problemu 4 ciał”.
„Jak rozumiem, dotyczy to układu gwiezdnego składającego się z trzech gwiazd i jednej planety, który regularnie podlega chaotycznym zmianom. Taki system najlepiej zdefiniować jako problem czterech ciał. Jakkolwiek to zdefiniujesz, według moich symulacji najbardziej prawdopodobnym rezultatem jest to, że planeta zostanie szybko zniszczona przez jedną z trzech gwiazd. Zatem wkrótce stanie się to problemem trzech ciał” – uśmiecha się badacz.
Tsunami Symulacji
Aby zbadać to zjawisko, Trani napisał własny program, Tsunamiktóry potrafi obliczać ruchy obiektów astronomicznych w oparciu o posiadaną wiedzę o prawach natury, takich jak grawitacja Newtona i ogólna teoria względności Einsteina. Trani ustawił go tak, aby przeprowadzał miliony symulacji spotkań trzech ciał w ramach określonych parametrów.
Początkowymi parametrami symulacji były położenia dwóch obiektów na ich wspólnej orbicie – czyli ich faza wzdłuż osi 360 stopni. Następnie kąt natarcia trzeciego obiektu – zmienny o 90 stopni.
Odsłanianie wzorów pośród kosmicznego chaosu
W ramach tego modelu przeprowadzono miliony symulacji w różnych możliwych kombinacjach. W sumie wyniki tworzą przybliżoną mapę wszystkich możliwych wyników, niczym rozległy gobelin utkany z nici konfiguracji początkowych. Tutaj pojawiają się wyspy regularności.
Kolory reprezentują obiekt, który ostatecznie zostaje wyrzucony z układu po spotkaniu. W większości przypadków jest to obiekt o najmniejszej masie.
„Gdyby problem trzech ciał był czysto chaotyczny, widzielibyśmy jedynie chaotyczną mieszankę nierozróżnialnych kropek, a wszystkie trzy wyniki zlewałyby się ze sobą bez żadnego dostrzegalnego porządku. Zamiast tego z tego chaotycznego morza wyłaniają się regularne „wyspy”, w których system zachowuje się w sposób przewidywalny, co prowadzi do jednolitych wyników, a co za tym idzie, jednolitych kolorów” – wyjaśnia Trani.
Wyzwania i możliwości w badaniach astrofizycznych
Odkrycie to niesie ze sobą wielką obietnicę głębszego zrozumienia zjawiska, które w przeciwnym razie byłoby niemożliwe. Na krótką metę stanowi to jednak wyzwanie dla badaczy. Czysty chaos to coś, co już potrafią liczyć metodami statystycznymi, jednak gdy chaos zakłócają prawidłowości, obliczenia stają się bardziej złożone.
„Kiedy niektóre regiony na mapie możliwych wyników nagle stają się regularne, zakłóca to statystyczne obliczenia prawdopodobieństwa, co prowadzi do niedokładnych przewidywań. Naszym wyzwaniem jest teraz nauczenie się łączenia metod statystycznych z tak zwanymi obliczeniami numerycznymi, które zapewniają wysoką precyzję, gdy system zachowuje się regularnie” – mówi Alessandro Alberto Trani.
„W tym sensie moje wyniki sprowadziły nas z powrotem do punktu wyjścia, ale jednocześnie dają nadzieję na zupełnie nowy poziom zrozumienia w dłuższej perspektywie” – mówi.
Odniesienie: „Wyspy regularności na morzu chaosu wśród grawitacyjnego problemu trzech ciał” Alessandro Alberto Trani, Nathan WC Leigh, Tjarda CN Boekholt i Simon Portegies Zwart, 28 sierpnia 2024 r., Astronomia i astrofizyka.
DOI: 10.1051/0004-6361/202449862
