Стабильность Солнечной системы

редактировать
Долгосрочные динамические взаимодействия, разрушающие Солнечную систему

Стабильность Солнечной системы является предметом многочисленных исследований в астрономия. Хотя планеты были стабильными, когда исторически наблюдались, и будут стабильными в краткосрочной перспективе, их слабое гравитационное воздействие друг на друга может складываться непредсказуемым образом. По этой причине (среди прочего) Солнечная система хаотична в техническом смысле математической теории хаоса, и даже в самых точных долгосрочных моделях орбитального движения Солнечной системы недействительны более чем на несколько десятков миллионов лет.

Солнечная система стабильна с точки зрения человека и намного дальше, учитывая, что маловероятно, что какая-либо из планет столкнется друг с другом или будет выброшена из системы в ближайшие несколько миллиардов лет, и орбита Земли будет относительно стабильной.

Поскольку закон всемирного тяготения (1687), математики и астрономы ( такие как Пьер-Симон Лаплас, Жозеф Луи Лагранж, Карл Фридрих Гаусс, Анри Пуанкаре, Андрей Колмогоров, Владимир Арнольд и Юрген Мозер ) искали доказательства стабильности движения планет, и эти поиски привели ко многим математическим разработкам и нескольким последовательным «доказательствам» устойчивости движения планет.Солнечная система.

Содержание

  • 1 Обзор и проблемы
    • 1.1 Резонанс
    • 1.2 Предсказуемость
  • 2 Сценарии
    • 2.1 Резонанс Нептуна-Плутона
    • 2.2 Резонанс луны Юпитера
    • 2.3 Меркурий –Юпитер 1: 1 резонанс перигелия-прецессии
    • 2.4 Влияние астероидов
    • 2.5 Хаос, вызванный геологическими процессами
    • 2.6 Внешние влияния
  • 3 Исследования
    • 3.1 LONGSTOP
    • 3.2 Digital Orrery
    • 3.3 Ласкар # 1
    • 3.4 Ласкар и Гастино
    • 3.5 Батыгин и Лафлин
  • 4 См. Также
  • 5 Ссылки
  • 6 Внешние ссылки

Обзор и проблемы

Орбиты планет открыты для долгосрочных изменений. Моделирование Солнечной системы - это случай проблемы n тел физики, которая обычно неразрешима, кроме как с помощью численного моделирования.

Резонанс

График, показывающий количество объектов пояса Койпера на заданном расстоянии (в AU ) от Солнца

Орбитальный резонанс когда любые два периода имеют простое числовое соотношение. Наиболее фундаментальным периодом для объекта в Солнечной системе является его орбитальный период , а орбитальные резонансы пронизывают всю Солнечную систему. В 1867 году американский астроном Дэниел Кирквуд заметил, что астероиды в поясе астероидов не распределены случайным образом. В поясе были отчетливые разрывы в местах, которые соответствовали резонансам с Юпитером. Например, не было астероидов в резонансе 3: 1 - на расстоянии 2,5 а.е. - или в резонансе 2: 1 на 3,3 а.е. (а.е. - это астрономическая единица, или, по сути, расстояние от Солнца. на Землю). Теперь они известны как промежутки Кирквуда. Позже было обнаружено, что некоторые астероиды вращаются в этих промежутках, но их орбиты нестабильны, и в конечном итоге они вырвутся из резонанса из-за близких столкновений с большой планетой.

Другой распространенной формой резонанса в Солнечной системе является спин-орбитальный резонанс, когда период вращения (время, за которое планета или луна совершает один оборот вокруг своей оси) имеет простая числовая связь с его орбитальным периодом. Примером может служить наша собственная Луна, которая находится в спин-орбитальном резонансе 1: 1, который удерживает дальнюю сторону Луны от Земли. Меркурий находится в спин-орбитальном резонансе 3: 2.

Предсказуемость

Орбиты планет хаотичны в более длительных временных масштабах, таким образом, что вся Солнечная система имеет время Ляпунова в диапазоне 2–230 миллионов лет. Во всех случаях это означает, что положение планеты на ее орбите в конечном итоге невозможно предсказать с какой-либо уверенностью (поэтому, например, становится неопределенным время зимы и лета), но в некоторых случаях сами орбиты могут резко измениться. Такой хаос наиболее сильно проявляется в изменении эксцентриситета, когда орбиты некоторых планет становятся значительно более или менее… эллиптическими.

В расчетах неизвестные включают астероиды, солнечный квадрупольный момент, потеря массы Солнца из-за излучения и солнечного ветра, сопротивление солнечного ветра на планетарных магнитосферах, галактических приливные силы и эффекты от проходящих мимо звезд.

Сценарии

Резонанс Нептун – Плутон

Нептун - Плутон система находится в орбитальном резонансе 3: 2 . и в Военно-морском центре наземных боевых действий подразделение Дальгрена обнаружило это в 1965 году. Хотя сам резонанс останется стабильным в краткосрочной перспективе, становится невозможно предсказать положение Плутона с какой-либо степенью точности, так как неопределенность положение увеличивается в e раз с каждым временем Ляпунова, что для Плутона составляет 10–20 миллионов лет в будущее. Таким образом, на шкале времени в сотни миллионов лет орбитальную фазу Плутона становится невозможно определить, даже если орбита Плутона кажется совершенно стабильной на шкале времени 10 MYR (Ito and Tanikawa 2002, MNRAS).

резонанс луны Юпитера

спутник Юпитера Ио имеет орбитальный период 1,769 дня, что почти вдвое меньше, чем у следующего спутника Европы (3,551 дня). Они находятся в резонансе орбита / орбита 2: 1. Этот конкретный резонанс имеет важные последствия, потому что гравитация Европы возмущает орбиту Ио. По мере того, как Ио приближается к Юпитеру, а затем все дальше удаляется по орбите, он испытывает значительные приливные напряжения, приводящие к действию вулканов. Европа также находится в резонансе 2: 1 со следующим спутником Ганимедом.

Перигелий-прецессионный резонанс 1: 1 Меркурий-Юпитер

Планета Меркурий особенно восприимчива к Влияние Юпитера из-за небольшого небесного совпадения: перигелий Меркурия , точка, где он приближается к Солнцу, прецессирует со скоростью примерно 1,5 градуса каждые 1000 лет, и перигелий Юпитера прецессирует только немного медленнее. В какой-то момент они могут синхронизироваться, и тогда постоянные гравитационные тяги Юпитера могут накапливаться и сбивать Меркурий с курса с вероятностью 1–2% на 3–4 миллиарда лет в будущем. Это может полностью выбросить его из Солнечной системы или отправить на курс столкновения с Венерой, Солнцем или Землей.

Влияние астероидов

Хаос в геологических процессах

Другим примером является осевой наклон Земли , который из-за трения, возникающего внутри мантии Земли в результате приливных взаимодействий с Луной (см. Ниже), в какой-то момент между 1,5 и 4,5 миллиардами лет спустя он станет хаотичным.

Внешние воздействия

Объекты, приходящие извне Солнечной системы, также могут влиять на него. Хотя технически они не являются частью Солнечной системы для целей изучения внутренней стабильности системы, они, тем не менее, могут изменить систему. К сожалению, прогнозирование потенциальных влияний этих внесолнечных объектов даже сложнее, чем прогнозирование влияний объектов внутри системы просто из-за огромных расстояний. Среди известных объектов, которые могут существенно повлиять на Солнечную систему, есть звезда Gliese 710, которая, как ожидается, пройдет около системы примерно через 1,281 миллиона лет. Хотя ожидается, что звезда не окажет существенного влияния на орбиты основных планет, она может существенно разрушить облако Оорта, что может вызвать большую активность комет во всей Солнечной системе. Есть по крайней мере дюжина других звезд, которые потенциально могут сблизиться в ближайшие несколько миллионов лет.

Исследования

LONGSTOP

Проект LONGSTOP (Долгосрочный Гравитационное исследование внешних планет) был международным консорциумом специалистов по динамике Солнечной системы 1982 года, возглавляемым Арчи Роем. Это включало создание модели на суперкомпьютере, объединяющей орбиты (только) внешних планет. Его результаты показали несколько любопытных обменов энергией между внешними планетами, но никаких признаков явной нестабильности.

Digital Orrery

Другой проект заключался в создании Digital Orrery Джерри Сассманом и его группой из Массачусетского технологического института в 1988 году. Группа использовала суперкомпьютер для интеграции орбит внешних планет. более 845 миллионов лет (около 20 процентов возраста Солнечной системы). В 1988 году Сассман и Уисдом нашли данные с помощью Оррери, которые показали, что орбита Плутона демонстрирует признаки хаоса, отчасти из-за его своеобразного резонанса с Нептуном.

Если орбита Плутона хаотична, то технически вся Солнечная система хаотична, потому что каждое тело, даже такое маленькое, как Плутон, до некоторой степени влияет на другие посредством гравитационного взаимодействия.

Ласкар №1

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, аналогичные тем, которые использовал Лаплас. Работа Ласкара показала, что орбита Земли (а также орбиты всех внутренних планет) хаотична и что ошибка в 15 метров при измерении положения Земли сегодня сделает невозможным предсказать, где будет Земля. его орбита прошло чуть более 100 миллионов лет.

Ласкар и Гастино

Жак Ласкар и его коллега Микаэль Гастино в 2008 году применили более тщательный подход, непосредственно смоделировав 2500 возможных вариантов будущего. Каждый из 2500 случаев имеет немного разные начальные условия: положение Меркурия варьируется примерно на 1 метр между одной симуляцией и другой. В 20 случаях Меркурий выходит на опасную орбиту и часто сталкивается с Венерой или погружается в Солнце. Двигаясь по такой искривленной орбите, гравитация Меркурия с большей вероятностью заставит другие планеты сбиться с их постоянных путей: в одном смоделированном случае его возмущения отправили Марс в сторону Земли.

Батыгин и Лафлин

Независимо Ласкара и Гастино, Батыгин и Лафлин также непосредственно моделировали Солнечную систему на 20 млрд лет в будущем. Их результаты пришли к тем же основным выводам, что и Ласкар и Гастино, но дополнительно предоставили нижнюю границу в миллиард (1e ^ 9) лет динамической продолжительности жизни Солнечной системы.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-09 06:56:02
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте