Справедливое предупреждение: если вы раздраженно поднимаете брови всякий раз, когда кто-то упоминает «Эффект бабочки», то, возможно, вам стоит прекратить чтение прямо сейчас. Если, однако, вам нравится ковыряться в черном, таинственном дне вселенной, чтобы увидеть, что происходит, то, пожалуйста, продолжайте.
Все мы знаем, что планеты Солнечной системы вращаются вокруг Солнца размеренно и размеренно. На самом деле планеты движутся с такой точностью, что астрономы могут с уверенностью рассчитать орбитальные характеристики - транзиты, затмения, выравнивания. Хотите список солнечных затмений на следующие 10 000 лет? Нет проблем.
Теперь предположим, что вы хотите заглянуть дальше в будущее - не на тысячи лет, а на миллиарды. Как же тогда держатся эти пыльные астрономические таблицы? Не так хорошо, если принять во внимание принципы теории хаоса. Теория Хаоса говорит, что небольшие входные данные в чрезвычайно сложной системе могут привести к крупномасштабным результатам. Это вышеупомянутый эффект бабочки: когда бабочка взмахивает крыльями в Южной Америке, гроза может развиться через несколько континентов - скажем, над Брисбеном, Австралия. Некоторые ученые сейчас предполагают, что эволюция Солнечной системы может основываться на теории хаоса и что в далеком будущем Земля может столкнуться либо с Венерой, либо с Марсом.
Учёные, высказавшие это предположение в выпуске журнала Nature за 2009 год, - Жак Ласкар и Микаэль Гастино - работали в Парижской обсерватории. Но ученые не использовали ни один из телескопов обсерватории для получения данных. Вместо этого они парили над компьютерами, в том числе над суперкомпьютером JADE, расположенным в Национальном информационном центре высшего образования или CINES (Национальный вычислительный центр высшего образования и исследований).
Вся эта вычислительная мощность может показаться излишеством, научной версией мускул-кара, пока вы не поймете, что они пытались вычислить. Это связано сзаконом всемирного тяготения Ньютона.
Помните, как сэр Исаак сказал нам, что между любыми двумя объектами существует универсальная сила гравитации? Эта сила прямо пропорциональна массам объектов и обратно пропорциональна квадрату разделяющего их расстояния. Затем он предположил, что гравитация Солнца удерживает планеты на их орбитах. Но, согласно собственному закону Ньютона, планеты и все другие объекты в Солнечной системе, включая луны и астероиды, также должны воздействовать друг на друга небольшой гравитационной магией. Может ли сложное взаимодействие этих сил привести к тому, что стабильность Солнечной системы со временем ухудшится? В краткосрочной перспективе нет. Астрономы обычно считали, что даже в течение более длительных периодов Солнечная система останется стабильной.
Затем несколько сумасшедших космологов начали задаваться вопросом, применима ли теория хаоса к планетарным орбитам. Если это так, небольшие изменения в движении планет могут со временем превратиться во что-то существенное. Но сколько времени это займет? Тысячи лет? Миллионы? Миллиарды?
Компьютерный Код и Хаос
Чтобы ответить на этот вопрос, вам нужно учесть движения всех планет, а также все силы, действующие при этом движении. Тогда вам нужно будет запустить Солнечную систему, как часы, чтобы планеты совершали сотни тысяч оборотов. Когда это произошло, вам нужно будет отслеживать ключевые данные о каждой планете. Одним из наиболее важных элементов данных для сбора будеторбитальный эксцентриситет - мера того, насколько планета отклоняется от идеально круглой формы, потому что эксцентриситет определяет, занимают ли две планеты одно и то же воздушное пространство и рискуете столкнуться с близким человеком.
Думаете, вы сможете запустить такую симуляцию в уме или с настольной моделью солнечной системы? Возможно нет. Однако суперкомпьютер может, поэтому Ласкар и Гастино выбрали суперкомпьютер JADE для выполнения своей тяжелой работы. Их входные данные состояли из 2 501 орбитального сценария, каждый из которых изменял орбиту Меркурия всего на несколько миллиметров. Они выбрали Меркурий, потому что, как коротышка Солнечной системы, это самая большая неудача, и потому что его орбита синхронизируется с орбитой Юпитера, создавая изменения, которые распространяются по всей Солнечной системе.
Для каждого гипотетического сценария они отслеживали движение всех планет на протяжении более 5 миллиардов лет (оценочная продолжительность жизни Солнца), позволяя компьютеру выполнять все сложные расчеты. Даже с мощным ЦП в модуле JADE каждое решение требовало четырех месяцев вычислений для получения результатов.
К счастью для жизни на Земле, Солнечная система остается стабильной в 99 процентах сценариев французской пары - ни одна планета не выходит на курс столкновения или не сбрасывается со своей орбиты. Но в 1% из них, где орбитальный хаос имеет наибольший кумулятивный эффект, орбита Меркурия становится достаточно эксцентричной, чтобы вызвать катастрофические изменения в Солнечной системе. Некоторые из этих катастроф касаются только Меркурия, который может либо врезаться в Солнце, либо сместиться со своей орбиты и вылететь в космос. Но другие, более тревожные сценарии разыгрываются при столкновении Земли с Марсом или Венерой. Столкновение с Венерой произойдет через пять этапов, каждый из которых иллюстрирует кумулятивный эффект орбитального хаоса:
- Во-первых, взаимодействие между Юпитером и Меркурием примерно через 3,137 миллиарда лет приводит к увеличению эксцентриситета последней планеты. Это передает некруговой угловой момент от внешних планет к внутренним планетам.
- Это перемещение дестабилизирует внутренние планеты, увеличивая эксцентриситеты Земли, Венеры и Марса.
- Земля почти столкнулась с Марсом, что еще больше нарушает эксцентриситет Марса.
- Последующиерезонансы, или синхронизированные, усиливающие взаимодействия, между внутренними планетами уменьшают эксцентриситет Меркурия и еще больше увеличивают эксцентриситеты Венеры и Земли.
- Венера и Земля пережили несколько близких столкновений, пока через 3,352891 миллиарда лет две планеты не столкнулись в эпическом взрыве, который уничтожил бы оба мира.
(Не)стабильные планеты
Если существует орбитальный хаос, его последствия не могут быть видны в течение короткого промежутка времени. Но астрономы собирают другие подсказки о нестабильности движения планет. В феврале 2012 года космический корабль Европейского космического агентства «Венера Экспресс» всмотрелся сквозь плотные венерианские облака, ожидая увидеть определенные особенности поверхности, которые должны были быть там, основываясь на данных, полученных с «Магеллана» 16 лет назад. Вместо этого эти особенности были смещены на 12 миль (20 километров), что позволяет предположить, что вращение планеты замедляется. В качестве возможной причины астрономы указывают на высокое атмосферное давление планеты и сильные ветры, которые создают трение на поверхности. Если данные верны, один день на Венере может длиться почти 250 земных дней.
Тогда еще раз, может быть, нет
Конечно, ни один из этих прогнозов не может быть точным. В 2011 году, когда космический корабль НАСА Dawn вышел на орбиту вокруг астероида Веста, Ласкар проверил хаотические взаимодействия между Вестой и другим астероидом Церера, а также между двумя большими астероидами и планетами. Он пришел к выводу, что взаимодействие Весты и Цереры быстро усугубит даже мельчайшие ошибки измерений, что сделает невозможным предсказание планетарных орбит - и угрозы столкновений - через 60 миллионов лет в будущем. В то время как столкновения между Вестой и Церерой кажутся вероятными в этих сценариях, то, что происходит с планетами, в лучшем случае неизвестно.
Итак, что означает эта, казалось бы, противоречивая информация? Во-первых, Солнечная система наполнена большим количеством вещества и что все эти объекты, в соответствии с законами Ньютона, действуют друг на друга. Во-вторых, эти силы могут изменить планетарные орбиты - сильно, - даже если мы не можем измерить эти изменения за всю историю человечества. Наконец, и это немного забавно, вселенная не порождает (или уничтожает) миры мирно, а очень, очень жестоко.
На самом деле, у астрономов есть доказательства самоуничтожения других солнечных систем. В 2008 году группа из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики обнаружила планету размером с Сатурн, вращающуюся вокруг звезды в созвездии Центавра, которая выделяла слишком много тепла для своего размера. Сейчас ученые считают, что большая планета все еще излучает огромное количество тепла в результате столкновения с протопланетой размером с Уран в недавнем прошлом этой звездной системы.
В 2009 году космический телескоп НАСА «Спитцер» обнаружил последствия большого столкновения между объектом размером с нашу Луну и другим объектом размером с Меркурий, находящимся примерно в 100 световых годах от нас в созвездии Паво (павлин). Приборы на «Спитцере» обнаружили контрольные признаки аморфного кремнезема, вещества, которое образуется на Земле, когда метеориты врезаются в землю.
Даже если наша солнечная система не поддастся орбитальному хаосу и бильярдному столкновению внутренних планет, нас может не ждать счастливый конец. Через 5 миллиардов лет, когда Солнце исчерпает свой запас топлива, в нашем теплом, чудесном уголке Вселенной станет довольно неуютно. Вскоре после этого мы исчезнем в чреве нашей быстро расширяющейся звезды и проглочены целиком. В любом случае, вызванное хаосом столкновение или звездная гибель, наш крошечный голубой мир погаснет не со всхлипом, а с грохотом.
Примечание автора
Написание этого заставило меня вспомнить фразу, которую я часто читал в детстве: «точность часового механизма Вселенной». Судя по всему, Вселенная не движется со спокойной регулярностью быстрой секундной стрелки. По мере того, как космические телескопы и суперкомпьютеры смотрят в космос и далеко в будущее, мы находим неустроенную, неуверенную вселенную. Но пока не прекращайте платить налоги - похоже, что Служба внутренних доходов не уйдет в ближайшее время.
Часто задаваемые вопросы
Столкнутся ли Марс и Земля когда-нибудь?
Нет. Хотя Марс и Земля находятся в одной Солнечной системе, их орбиты не позволяют им столкнуться.