Миллионы симуляций образуют приблизительную карту всех мыслимых результатов, когда встречаются три объекта, подобно гигантскому гобелену, сотканному из нитей исходных конфигураций. Вот тут-то и появляются островки закономерности. Фото предоставлено: Алессандро Альберто Трани
Когда три массивных объекта сталкиваются в космосе, они непредсказуемым образом влияют друг на друга посредством гравитации. Одним словом: хаос. Это общепринятое понимание. Теперь исследователь из Копенгагенского университета обнаружил, что такие встречи часто избегают хаоса и вместо этого следуют регулярным закономерностям, при которых один из объектов быстро исключается из системы. Это новое открытие может оказаться решающим для нашего понимания гравитационных волн и многих других аспектов Вселенной.
Одним из самых популярных сериалов на Netflix сейчас является научно-фантастический сериал «Проблема трех тел». Основанный на серии китайских романов Лю Цысиня, сериал включает в себя множество персонажей, периодов времени и даже инопланетных посетителей. Но основная предпосылка касается звездной системы, в которой три звезды вращаются вокруг друг друга.
Такая система с тремя объектами, которые влияют на гравитацию друг друга, очаровывала ученых с тех пор, как ее впервые описал «отец гравитации» Исаак Ньютон. Хотя взаимодействие между двумя объектами, встречающимися в космосе, предсказуемо, появление третьего массивного объекта делает триадное столкновение не только сложным, но и хаотичным.
«Задача трех тел — одна из самых известных неразрешимых задач в математике и теоретической физике. Теория гласит, что когда три объекта встречаются, их взаимодействие развивается хаотично, без закономерности и полностью оторвано от исходной точки», — объясняет Алессандро Альберто Трани из Института Нильса Бора при Копенгагенском университете.
«Но наши миллионы симуляций показывают, что в этом хаосе есть пробелы — «островки регулярности», — которые напрямую зависят от того, как три объекта расположены относительно друг друга при встрече, а также от их скорости и угла сближения».
Трани надеется, что это открытие проложит путь к улучшению астрофизических моделей, поскольку проблема трех тел — это не просто теоретическая задача. Встреча трех объектов во Вселенной — обычное явление, и понимание этого имеет решающее значение. Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysicals.
«Если мы хотим понять гравитационные волны, излучаемые черными дырами и другими массивными объектами в движении, то взаимодействие между черными дырами при их встрече и слиянии имеет важное значение. Действуют огромные силы, особенно когда трое из них объединяются. Поэтому «наше понимание таких встреч может стать ключом к пониманию таких явлений, как гравитационные волны, сама гравитация и многие другие фундаментальные загадки Вселенной», — говорит исследователь.
Цунами симуляций
Чтобы изучить это явление, Трани запрограммировал свою собственную программу «Цунами», которая может рассчитывать движение астрономических объектов на основе наших знаний законов природы, таких как гравитация Ньютона и общая теория относительности Эйнштейна. Трани настроил его на миллионы симуляций столкновений трех тел с определенными заданными параметрами.
Исходными параметрами моделирования были положения двух объектов на их взаимной орбите, то есть их фаза по оси 360 градусов. Тогда угол сближения третьего объекта изменится на 90 градусов.
Миллионы симуляций были распределены по различным возможным комбинациям в рамках этой структуры. В целом результаты образуют приблизительную карту всех возможных исходов, подобную гигантскому гобелену, сотканному из нитей первоначальных конфигураций. Вот тут-то и появляются островки закономерности.
Цвета обозначают объект, который в конечном итоге будет выброшен из системы после столкновения. В большинстве случаев это объект с наименьшей массой.
«Если бы задача трех тел была чисто хаотичной, все, что мы увидели бы, — это хаотическую смесь неразличимых точек, при этом все три результата сливаются друг с другом без видимого порядка. Вместо этого это хаотичное море создает регулярные «островки», на которых система ведет себя предсказуемо. «Это приводит к однородным результатам – и, следовательно, к однородным цветам», – объясняет Трани.
Два шага вперед, один шаг назад
Это открытие обещает более глубокое понимание феномена, который иначе был бы невозможен. Однако в краткосрочной перспективе это представляет собой проблему для исследователей. Они уже могут рассчитать чистый хаос, используя статистические методы, но когда хаос прерывается закономерностями, расчеты становятся более сложными.
«Если некоторые регионы на этой карте возможных результатов внезапно станут регулярными, статистические расчеты вероятности будут сбиты с толку, что приведет к неточным прогнозам. Наша задача сейчас — научиться сочетать статистические методы с так называемыми численными расчетами, обеспечивающими высокую точность. «Система ведет себя регулярно», — говорит Трани.
«В этом смысле мои результаты вернули нас на первое место, но в то же время дают надежду на совершенно новый уровень понимания в долгосрочной перспективе», — говорит он.
Информация от: Копенгагенским университетом
