Новый прорыв в загадке трех тел в астрофизике

Представьте себе три звезды в космосе, каждая из которых тянется в разные стороны под действием гравитационного притяжения остальных. Это трио массивных объектов, находящихся в постоянном взаимодействии, кажется, следует непредсказуемой и хаотичной схеме. Это явление, известное как проблема трех тел, в течение нескольких лет интриговало ученых из-за сложности порождаемых им движений. Новое исследование показывает, что этот кажущийся хаос на самом деле может скрывать удивительные закономерности, предлагая новый взгляд на взаимодействие этих систем.

Что такое проблема трех тел?

Со времен Исаака Ньютона мы знаем, что гравитация может быть использована для точного предсказания движения двух объектов в пространстве, например Земли, вращающейся вокруг Солнца. В этом случае расчеты просты: гравитационная сила между двумя объектами предсказуема и подчиняется устоявшимся законам. Однако добавление в уравнение третьего объекта радикально усложняет ситуацию. Динамика между тремя массивными объектами становится хаотичной и практически не поддается прогнозированию.

Другими словами, когда три объекта встречаются в пространстве, их гравитационное взаимодействие развивается непредсказуемым образом. Это явление, известное как проблема трех тел, является одной из самых известных задач в математике и физике.

Однако одно открытие может перевернуть все привычные представления. Алессандро Альберто Трани, исследователь из Института Нильса Бора при Копенгагенском университете, только что обнаружил новые составляющие, которые ставят под сомнение идею полного хаоса.

Острова закономерности

В рамках своего исследования ученый провел серию симуляций, чтобы изучить гравитационное взаимодействие между тремя массивными объектами, такими как звезды и черные дыры. Для этого он разработал программное обеспечение под названием Tsunami, предназначенное для моделирования движения астрономических объектов с использованием законов гравитации Ньютона и общей теории относительности Эйнштейна.

Затем исследователь определил исходные параметры для моделирования. Они включали в себя положение двух объектов на их орбите и угол приближения третьего объекта. Размещая объекты в разных положениях и ориентациях в начале каждой симуляции, он мог наблюдать, как эти начальные конфигурации влияют на результаты.

Исследователь также провел миллионы симуляций, варьируя параметры, чтобы изучить, как три объекта взаимодействуют в разных конфигурациях. Такой подход позволил ему создать исчерпывающую карту возможных исходов этих столкновений, учитывающую множество способов, которыми объекты могут взаимодействовать.

По результатам моделирования исследователь выявил островки закономерности в обычном хаосе задачи трех тел. Вопреки тому, что можно было бы ожидать от хаотической системы, он обнаружил, что существуют периоды, когда объекты следуют предсказуемым закономерностям. Это происходит, когда один из трех объектов, обычно с наименьшей массой, изгоняется из системы, а два других продолжают вращаться вокруг друг друга.

Почему это открытие важно?

Обнаружив, что определенные конфигурации трех массивных объектов могут приводить к предсказуемому поведению, это исследование улучшает наше понимание сложных взаимодействий во Вселенной, таких как взаимодействия звезд, планет или черных дыр.

В частности, эти результаты имеют прямое отношение к изучению гравитационных волн - возмущений в пространстве-времени, вызванных бурными космическими событиями, такими как слияние черных дыр. Лучше понимая, как взаимодействуют эти объекты, исследователи смогут уточнить свои модели возникновения и обнаружения гравитационных волн.

Это исследование также может подтолкнуть других ученых к изучению других аспектов проблемы трех тел и исследованию других сложных систем во Вселенной, прокладывая путь к новым открытиям и лучшему пониманию динамики Вселенной.

Хотя это открытие открывает многообещающие перспективы, оно также ставит перед исследователями серьезную задачу. До сих пор проблема трех тел понималась в основном как хаотическое явление, позволяющее применять статистические методы для предсказания взаимодействий между объектами. Однако после того, как выяснилось, что определенные конфигурации могут привести к выбросу одного из объектов, оставив два других взаимодействовать более упорядоченно, возникает необходимость адаптации существующих подходов. Исследователям теперь придется интегрировать статистические методы, подходящие для хаотического поведения, с численными расчетами, адаптированными для регулярных взаимодействий.