轨道混乱会导致地球、金星和火星相撞吗?

:威廉·哈里斯

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这张照片让这颗行星的轨道看起来很整齐,很固定。混沌理论会扰乱时钟般的精确度吗?
Zoonar /思想库

公平的警告:如果每当有人提到……蝴蝶效应,那么你现在就可以停止阅读了。然而,如果你喜欢戳宇宙黑暗神秘的底层看看会发生什么,那么请继续。

我们都知道太阳系的行星围绕着地球旋转太阳以平静、有序的方式事实上,行星的运行非常精确,天文学家可以计算出轨道特征——凌日,日食,对齐——确定无疑。想要一份未来一万年的日食清单吗?没有问题。

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现在让我们假设你想看更远的未来——不是几千年,而是几十亿年。那些满是灰尘的天文表还撑得住吗?如果你考虑到混沌理论的原理,就不那么好了。混沌理论在一个非常复杂的系统中,小的输入可以产生大规模的输出。这就是前面提到的蝴蝶效应:当一个蝴蝶如果它在南美洲扇动翅膀,一场雷暴就会在几个大陆之外形成——比如在澳大利亚布里斯班上空。一些科学家现在提出,太阳系的演化可能会遵循混沌理论,而且在未来很远很远的地方,地球可能会与其中任何一个发生碰撞金星火星

在2009年的《自然》杂志上提出这一建议的科学家——雅克·拉斯卡尔和Mickaël加斯蒂诺——当时正在巴黎天文台工作。但科学家们并没有使用任何天文台的望远镜来生成数据。相反,他们在计算机上盘旋,包括位于Supérieur国家信息中心的JADE超级计算机,或CINES(国家高等教育和研究计算中心)。

所有的计算能力似乎都是多余的,一个科学家版本的肌肉车,直到你意识到他们试图计算的是什么。这和牛顿的理论有关万有引力定律

还记得艾萨克爵士告诉我们任何两个物体之间都存在万有引力?这个力与物体的质量成正比,与它们之间距离的平方成反比。然后他提出,是太阳的引力使行星保持在它们的轨道上。但是,根据牛顿自己的定律,行星和太阳系中的所有其他物体,包括卫星和小行星,一定也会对彼此施加一点引力魔法。这些力的复杂相互作用会导致太阳系的稳定性随着时间的推移而下降吗?在短期内,不会。天文学家普遍认为,即使在更长的时间内,太阳系也会保持稳定。

然后,一些疯狂的宇宙学家开始思考混沌理论是否适用于行星轨道。如果是这样,随着时间的推移,行星运动的微小变化可能会被放大成实质性的变化。但是需要多长时间呢?几千年?数以百万计的人吗?数十亿美元吗?

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计算机代码与混乱

要回答这个问题,你需要考虑所有行星的运动,以及运动时产生的所有力。那你就得让太阳系运行,就像时钟,所以行星在成千上万个轨道上循环运行。当这种情况发生时,你需要追踪每颗行星的关键数据。需要收集的最重要的数据之一是轨道偏心率——测量一颗行星偏离完美圆形的距离——因为偏心度决定了两颗行星是否占据同一空域,并有近距离接触的风险。

你认为你能够在你的头脑中运行这样一个模拟或者用一个太阳系的桌面模型?可能不会。但是超级计算机可以,这就是为什么拉斯卡尔和加斯蒂诺选择JADE超级计算机来完成他们的艰巨任务。他们的输入包括2501个轨道场景,每一个都只改变水星的轨道几毫米。拉斯卡尔和加斯蒂内奥].他们选择水星是因为,作为太阳系中最弱小的行星,它是最容易被推翻的行星,因为它的轨道与木星的轨道同步,可以产生影响整个太阳系的变化。

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对于每个假设的场景,他们跟踪了所有行星超过50亿年的运动(估计的寿命太阳),让计算机进行所有复杂的计算。即使JADE单元中有高性能的CPU,每个解决方案也需要4个月的计算才能生成结果。

幸运的是地球在这对法国夫妇的研究中,太阳系在99%的情况下都是稳定的——没有行星会发生碰撞,也没有行星会被逐出轨道。拉斯卡尔和加斯蒂内奥].但在其中的1%,轨道混乱的累积效应最大,水星的轨道变得足够偏心,导致太阳系的灾难性变化。其中一些灾难只与水星有关,它要么撞向太阳,要么脱离轨道,被抛向太空。但另一种更令人不安的情况是地球与其中任何一个星球相撞火星或金星。与金星的碰撞将通过五个步骤发生,所有这些步骤都说明了轨道混乱的累积效应[来源:拉斯卡尔和加斯蒂内奥]:

  1. 首先,木星和水星在大约31.37亿年间的相互作用导致了水星的偏心率增加。这将非圆形的角动量从外行星转移到内行星。
  2. 这种转移破坏了内行星的稳定,增加了地球、金星和火星的偏心度。
  3. 地球与火星有一次险些相撞,这进一步扰乱了火星的离心率。
  4. 后续共振内行星之间同步的、加强的相互作用会降低水星的离心率,并进一步增加金星和地球的离心率。
  5. 金星和地球有过几次险些相撞,直到在3352891亿年前,这两颗行星发生了一次史诗般的大爆炸,摧毁了两个世界。

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不过,也许不是

绕灶神星飞行的艺术家概念图。天文学家非常感兴趣的是,这颗巨大的小行星是否会与另一颗小行星谷神星发生剧烈碰撞。"width=
绕灶神星飞行的艺术家概念图。天文学家非常感兴趣的是,这颗巨大的小行星是否会与另一颗小行星谷神星发生剧烈碰撞。

当然,这些预测可能都不准确。2011年,作为美国国家航空航天局拉斯卡尔检查了灶神星和另一颗小行星谷神星之间以及这两颗大型小行星之间的混沌相互作用小行星和行星。他的结论是,灶神星和谷神星之间的相互作用会迅速放大哪怕是最小的测量误差,使人们无法预测未来6000万年以后的行星轨道和碰撞的威胁。志贺].虽然在这些情况下,灶神星和谷神星之间似乎有可能发生碰撞,但这两颗行星的结果充其量也不确定。

那么,这个看似矛盾的信息意味着什么呢?首先,太阳系充满了很多东西,所有这些物体,根据牛顿定律,都对彼此有作用力。其次,这些力量可以改变行星轨道——很大程度上——即使我们无法测量人类历史上的这些变化。最后,这一点很有趣,宇宙并不是和平地生成(或摧毁)世界,而是非常非常暴力的。

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事实上,天文学家有其他太阳系自毁的证据。2008年,来自哈佛-史密森天体物理中心的一个团队发现了一颗土星大小的行星,它围绕半人马座的一颗恒星运行,与它的大小相比,这颗行星释放出了太多的热量。科学家们现在认为,这颗巨大的行星仍在散发着大量的热量,这是该恒星系统不久前与一颗天王星大小的原行星发生碰撞后产生的。

2009年,美国宇航局的斯皮策太空望远镜发现了一个巨大的物体混合后的结果月亮另一个和水星一样大,距离地球约100光年,位于孔雀星座。斯皮策太空望远镜上的仪器探测到了非晶二氧化硅的特征,这是一种形成于太空的物质地球当陨石撞击地面。

即使我们的太阳系不屈服于轨道混乱和内行星像台球一样的碰撞,我们可能不会有一个幸福的结局。50亿年后,当太阳耗尽其燃料供应时,我们在宇宙中温暖而美好的一角将开始变得相当不舒服。过不了多久,我们就会消失在这颗迅速膨胀的恒星的肚子里,被整个吞噬。无论哪种情况,混沌引发的碰撞或恒星的死亡,我们小小的蓝色世界都不会伴随着一声呜咽而消亡,而是伴随着一声巨响。

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作者的注意

写这篇文章让我想起了我小时候经常读到的一句话:“宇宙像钟表一样精确。”显然,宇宙运行的规律并不像秒针划过时那样平静。当太空望远镜和超级计算机穿越宇宙,遥望遥远的未来时,我们发现了一个不稳定、不确定的宇宙。但是,现在还不要停止纳税——美国国税局(Internal Revenue Service)似乎不会很快消失。

相关文章

来源

  • 法新社。“研究表明,地球与火星可能发生碰撞。”宇宙的杂志。2009年6月11日。(2012年2月20日)http://www.cosmosmagazine.com/news/2803/when-worlds-collide-earth-mars-impact-possible
  • 阿特金森,南希。“金星的自转减慢了吗?”今天的宇宙。2012年2月10日。(2012年2月20日)http://www.universetoday.com/93494/is-venus-rotation-slowing-down/
  • BBC新闻。“发现了行星碰撞的痕迹。”2009年8月11日。(2012年2月20日)http://news.bbc.co.uk/2/hi/8195467.stm
  • GENCI。“GENCI的新型147 TF SGI/英特尔处理器超级计算机。”2008年11月20日。(2012年2月20日)http://www.genci.fr/spip.php?article32
  • 雅克·拉斯卡尔网站。(2012年2月20日)http://www.imcce.fr/Equipes/ASD/person/Laskar/jxl_collision.html
  • Laskar, Jacques和Mickaël Gastineau。“水星、火星和金星与地球碰撞轨迹的存在。”自然的信件。2009年6月11日。
  • 洛维特,Richard。“发现了巨大行星碰撞的证据。”国家地理。2008年1月10日。(2012年2月20日)http://news.nationalgeographic.com/news/2008/01/080110-worlds-collide.html
  • Palca乔。“行星碰撞(不要惊慌)。”NPR ScienceFriday。2009年6月12日。(2012年2月20日)http://www.sciencefriday.com/program/archives/200906122
  • 志贺,大卫。“探测器的目标是太阳系的云‘水晶球’。”《新科学家》。2011年7月15日。(2012年2月20日)http://www.newscientist.com/article/mg21128223.100-probes-targets-cloud-crystal-ball-for-solar-system.html

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