دانشمندان پرده از تقارن‌های مرموزی برداشتند که زمین را در برابر هرج‌ومرج کیهانی محافظت می‌کند

یک تحلیل جدید درباره آشوب در منظومه شمسی نشان می‌دهد که چگونه برخورد سیارات در طول میلیاردها سال اجتناب‌ناپذیر نبوده است.

مدارهای سیارات داخلی منظومه شمسی—عطارد، زهره، زمین و مریخ—بسیار آشوبناک هستند، و مدل‌های پیشین نشان داده‌اند که این سیارات باید تاکنون با یکدیگر برخورد کرده باشند. اما چنین اتفاقی نیفتاده است.
تحقیقات جدیدی که در ۱۳ اردیبهشت در مجله Physical Review X منتشر شده است، ممکن است بالاخره توضیح دهد که چرا این برخوردها رخ نداده‌اند.

سیارات غیرقابل پیش‌بینی: رازهای ناشناخته کیهان

سیارات به‌طور مداوم یکدیگر را تحت تأثیر نیروی گرانشی قرار می‌دهند، و این کشش‌های کوچک مدام مدارهای آن‌ها را تغییر می‌دهد. سیارات خارجی، که جرم بیشتری دارند، در برابر این تغییرات مقاوم‌تر هستند و مدارهای پایدارتری دارند. اما تعیین مسیر حرکت سیارات داخلی هنوز بیش از حد پیچیده است.

در اواخر قرن نوزدهم، ریاضیدان فرانسوی هانری پوانکاره ثابت کرد که حل معادلات مربوط به حرکت سه یا بیشتر از سه جرم که بر یکدیگر تأثیر گرانشی دارند، از نظر ریاضی غیرممکن است. این مسئله که به “مسئله سه‌جسم” معروف است، باعث می‌شود که عدم قطعیت‌های کوچکی که در شرایط اولیه سیارات وجود دارند، به مرور زمان رشد کنند. به عبارت دیگر، اگر دو سناریو را در نظر بگیریم که فقط اختلاف ناچیزی در موقعیت یا سرعت اولیه سیارات داخلی دارند، ممکن است در یکی از آن‌ها سیارات با هم برخورد کنند و در دیگری، مسیرهایشان از هم دور شود.

زمانی که طول می‌کشد تا دو مسیر حرکتی با شرایط اولیه تقریباً یکسان از یکدیگر فاصله بگیرند، “زمان لیاپانوف” نامیده می‌شود که شاخصی از آشوب سیستم است. در سال ۱۳۶۷هجری شمسی، ژاک لاسکار، ستاره‌شناس و مدیر تحقیقات در مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه و رصدخانه پاریس، محاسبه کرد که زمان لیاپانوف برای مدارهای سیارات داخلی فقط ۵ میلیون سال است.

کنترل آشوب: راهکارها و استراتژی‌ها

لاسکار و همکارانش با بررسی دقیق ریاضیات حاکم بر حرکت سیارات، برای اولین بار “تقارن‌ها” یا **”مقادیر پایسته”**‌ای را در تعاملات گرانشی کشف کردند که به گفته‌ی او، مانند یک مانع طبیعی در برابر آشوب سیارات عمل می‌کنند.

این ویژگی‌های ریاضی خاص، تغییرات شدید را محدود می‌کنند، اما به‌طور کامل مانع آشوب نمی‌شوند—درست مانند لبه‌ی برجسته‌ی یک بشقاب که نمی‌گذارد غذا به‌راحتی از روی آن بریزد، اما نمی‌تواند از افتادن آن به‌طور کامل جلوگیری کند.

رنو مالهوترا، استاد علوم سیاره‌ای در دانشگاه آریزونا که در این مطالعه مشارکت نداشته است، تأکید کرد که این مکانیسم‌های کشف‌شده چقدر ظریف و پیچیده هستند. او گفت که جالب است که “مدارهای سیارات در منظومه شمسی ما آشوبی بسیار ضعیف و کنترل‌شده‌ای را نشان می‌دهند.”

در تحقیقات دیگر، لاسکار و همکارانش در تلاش هستند تا بفهمند که آیا تعداد سیارات در منظومه شمسی در گذشته با تعداد کنونی تفاوت داشته است یا نه. با وجود ثباتی که امروز مشاهده می‌کنیم، هنوز مشخص نیست که آیا این وضعیت در تمام میلیاردها سال گذشته نیز برقرار بوده است یا خیر.

نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که هرچند مدارهای سیارات داخلی منظومه شمسی آشوبناک هستند، اما نیروهای خاصی در تعاملات گرانشی باعث محدود شدن این آشوب و جلوگیری از برخورد سیارات می‌شوند. این نیروها به‌عنوان “مقادیر پایسته” یا “تقارن‌های دینامیکی” عمل می‌کنند و مانند یک مانع طبیعی، آشوب سیستم را در محدوده‌ای مشخص نگه می‌دارند.

به‌طور کلی، این تحقیق به ما می‌گوید که هرچند آشوب و بی‌نظمی در مدار سیارات داخلی وجود دارد، اما برخی ویژگی‌های بنیادی طبیعت باعث می‌شوند که این بی‌نظمی از حدی فراتر نرود و باعث نابودی منظومه نشود.