태양계의 안정성

Stability of the Solar System

태양계의 안정성은 천문학에서 많은 연구 대상이다.비록 행성들이 역사적으로 관찰되었을 때 안정적이었고, 단기적으로 그렇게 될 것이지만, 행성들이 서로에게 미치는 약한 중력 효과는 예측할 수 없는 방식으로 누적될 수 있습니다.

이러한 이유로 (특히) 태양계는 수학적 카오스 [1]이론의 기술적 의미에서 혼란스럽고, 심지어 태양계의 궤도 운동을 위한 가장 정확한 장기 모형도 수천만 [2]년 이상에 걸쳐 유효하지 않다.

태양계는 인간의 관점에서 안정적이며, 훨씬 더 멀리 떨어져 있는데, 이는 앞으로 몇 십억 [3]년 안에 행성들이 서로 충돌하거나 행성계에서 쫓겨날 가능성이 거의 없고, 지구의 궤도는 비교적 [4]안정적일 것이라는 점을 고려하면 말이다.

뉴턴의 만유인력의 법칙(1687년)이래 수학자와 천문학자들(피에르 시몬 라플라세, 조셉 루이 라그랑주, 칼 프리드리히 가우스, 앙리 푸앵카레, 안드레이 콜모고로프, 블라디미르 아놀드, 위르겐 모저 등)은 행성운동의 안정성에 대한 증거를 찾아왔고, 많은 탐험을 이끌었다.태양계 [5]안정성에 대한 연속적인 "증거"

개요와 과제

주요 기사: n-body 문제

행성들의 궤도는 장기적인 변화에 열려 있다.태양계를 모델링하는 것은 물리학의 n-body 문제의 경우로, 일반적으로 수치 시뮬레이션 외에는 해결할 수 없습니다.

공명

태양으로부터의 일정 거리(AU 단위, 즉 태양에서 지구까지의 거리)에 대한 카이퍼 벨트 물체의 수를 보여주는 그래프

궤도 공명은 어떤 두 주기가 단순한 수치 비율을 가질 때 발생한다.태양계에서 물체의 가장 기본적인 주기는 궤도 주기이며, 궤도 공명은 태양계에 퍼져있다.1867년, 미국의 천문학자 대니얼 커크우드는 소행성대의 소행성이 무작위로 [6]분포되어 있지 않다는 것을 알아챘다.목성과의 공명에 해당하는 지점에는 띠에 뚜렷한 틈이 있었다.예를 들어, 2.5 AU(3억 7천만 km; 2억 3천만 mi)의 거리인 3:1 공명이나 3.3 AU(4억 9천만 km; 3억 1천만 mi)의 2:1 공명에는 소행성이 없었다.이것들은 현재 커크우드 간극으로 알려져 있다.몇몇 소행성들은 나중에 이러한 틈새에서 궤도를 도는 것으로 발견되었지만, 그들의 궤도는 불안정하고 결국 주요 행성과 근접한 조우 때문에 공명 상태를 벗어날 것이다.

태양계에서 공명의 또 다른 흔한 형태는 스핀-오빗 공명인데, 여기서 자전 주기(행성과 달이 한 번 축을 중심으로 회전하는 데 걸리는 시간)는 궤도 주기와 단순한 수치적 관계를 갖는다.예를 들어, 우리의 달은 지구에서 멀리 떨어져 있는 1:1 스핀-궤도 공명 상태에 있다. (이 특징은 "조수 잠금"이라고도 한다.) 또 다른 예는 수성인데, 수성은 태양과 3:2 스핀-궤도 공명 상태에 있다.

예측 가능성

행성들의 궤도는 태양계 전체가 2억에서 2억 3천만 [3]년 범위의 랴푸노프 시간을 가질 정도로 긴 시간 동안 혼란스럽다.어떤 경우든, 이것은 궤도를 따라 있는 행성의 위치를 정확히 예측하는 것이 궁극적으로 불가능해진다는 것을 의미합니다.어떤 경우에는 궤도 자체가 극적으로 변할 수도 있다.이러한 혼돈은 이심률의 변화로 가장 강하게 나타나며, 일부 행성의 궤도는 현저하게 타원형이 [7]된다.

계산에서, 알려지지 않은 것들로는 소행성, 태양 4극 모멘트, 방사선과 태양풍을 통한 태양으로부터의 질량 손실, 행성 자기권에 대한 태양풍의 항력, 은하계 조력, 지나가는 [8]별들의 영향 등이 있다.

시나리오

해왕성-명왕성 공명

해왕성-명왕성계는 3:2 궤도 공명 상태에 있다.C.J. 코헨과 E.C. 1965년 달그렌 해군 지상전 센터의 허바드가 이것을 발견했다.비록 공명 자체는 단기적으로는 안정되겠지만, 명왕성의 위치는 정확하게 예측하는 것이 불가능해진다. 명왕성의 위치는 명왕성의 경우 1000만 년에서 2000만 년 후의 [9]랴푸노프 시간마다 e배만큼 증가하기 때문이다.따라서 명왕성의 궤도가 10MYR 시간 척도로 완벽하게 안정된 것처럼 보여도 수억 년의 시간 척도로는 명왕성의 궤도 위상을 판단하는 것이 불가능해진다(Ito and Tanikawa 2002, MNRAS).

목성의 달 공명

목성의 위성 Io의 공전 주기는 1.769일로 다음 위성 Europa(3.551일)의 거의 절반이다.그들은 2:1 궤도 공명 상태에 있다.Europa의 중력이 Io의 궤도를 어지럽히기 때문에 이 특별한 공명은 중요한 결과를 초래합니다.Io가 목성에 더 가까이 이동한 후 궤도를 도는 과정에서 더 멀리 이동함에 따라, 그것은 상당한 조석 스트레스를 경험하여 활화산을 일으킨다.유로파는 또한 다음 위성 가니메데와 2:1 공명을 하고 있다.

수성-목성 1:1 근일점-세차 공명

수성은 작은 천체의 일치 때문에 특히 목성의 영향을 받기 쉽습니다.태양에 가장 가까운 지점인 수성의 근일점은 1,000년마다 약 1.5도의 속도로 세차하고 목성의 근일점은 아주 느리게 세차한다.어느 시점에서는, 목성의 끊임없는 중력 예인력이 축적되어 수성을 1-2%의 확률로 항로에서 끌어낼 수 있는, 두 가지가 일치할 수도 있다.
이것은 그것을 태양계로부터[1] 완전히 방출하거나 금성, 태양 또는 [10]지구와의 충돌 경로로 보낼 수 있다.

소행성 영향

지질학적 과정으로 인한 혼돈

또 다른 예는 지구의 축방향 기울기인데, 이것은 달과의 조석 상호작용에 의해 지구의 맨틀 안에서 일어나는 마찰로 인해 지금부터 [11]15억년에서 45억년 사이에 혼돈 상태가 될 것이다.

참고 항목: 극 이동 가설

외부 영향

태양계 밖에서 오는 물체들도 그것에 영향을 미칠 수 있다.비록 그것들이 기술적으로 시스템의 본질적인 안정성을 연구하기 위한 목적으로 태양계의 일부가 아니지만, 그럼에도 불구하고 그들은 그것을 바꿀 수 있다.불행하게도, 이러한 외계 물체의 잠재적인 영향을 예측하는 것은 단순히 관련된 거리 때문에 시스템 내의 물체의 영향을 예측하는 것보다 훨씬 더 어렵습니다.태양계에 큰 영향을 미칠 가능성이 있는 것으로 알려진 천체 중에는 글리제 710이 있는데, 글리제 710은 약 128만 1천 [12]년 후에 태양계 근처를 지나갈 것으로 예상됩니다.비록 이 별이 주요 행성들의 궤도에 큰 영향을 미칠 것으로 예상되지는 않지만, 오르트 구름을 실질적으로 교란시킬 수 있으며, 잠재적으로 태양계 전체에 걸쳐 주요 혜성 활동을 일으킬 수 있다.앞으로 몇 백만 [13]년 안에 가까이 접근할 수 있는 가능성이 있는 다른 별들이 적어도 12개 있다.2022년 토론토 대학의 개럿 브라운과 한노 라인(Hanno Rein)은 항성 플라이바이로부터의 약한 섭동이 존재하는 상황에서 태양계의 장기적 안정성을 탐구하는 연구를 발표했다.그들은 만약 지나가는 별이 해왕성의 장축 반경을 최소 0.03AU(449만 km; 279만 mi) 변화시킨다면, 향후 50억 년 동안 불안정성을 10배 증가시킬 것이라고 결론지었다.그들은 또한 이 정도 규모의 비행은 1000억 [14]년 동안 일어나지 않을 것으로 추정했다.

스터디

롱스톱

프로젝트 LONGSTOP(외계 행성 장기 중력 연구)는 아치 로이가 이끄는 1982년 태양계 역학자들의 국제 컨소시엄이었다.그것은 슈퍼컴퓨터에 모델을 만들어 외행성들의 궤도를 통합시키는 것을 포함했다.그 결과 외부 행성들 사이에 여러 가지 이상한 에너지 교환이 있었지만, 엄청난 불안정성의 징후는 보이지 않았다.

디지털 오리

또 다른 프로젝트는 1988년 Gerry Sussman과 그의 MIT 그룹에 의해 디지털 오리를 건설하는 것이었습니다.이 그룹은 8억 4천 5백만 년 (태양계 연령의 약 20퍼센트)에 걸쳐 외부 행성들의 궤도를 통합하기 위해 슈퍼컴퓨터를 사용했다.1988년, 서스만과 위즈덤은 명왕성의 궤도가 [9]해왕성과의 독특한 공명 때문에 혼돈의 징후를 보인다는 것을 보여주는 오레리를 이용한 자료를 발견했다.

만약 명왕성의 궤도가 혼란스럽다면, 엄밀히 말해 태양계 전체가 혼란스러운 것입니다. 왜냐하면 명왕성과 같은 작은 물체라도 중력 [15]상호작용을 통해 어느 정도 다른 물체에 영향을 미치기 때문입니다.

라스카르 1호

1989년 파리 경도국의 자크 라스카르는 2억년에 걸친 태양계의 수치적 통합 결과를 발표했다.이것들은 완전 운동 방정식이 아니라 라플라스에서 사용한 것과 같은 평균 방정식이었다.라스카의 연구는 지구의 궤도는 혼란스럽고, 오늘날 지구의 위치를 측정할 때 15미터 정도의 작은 오차가 1억 년이 조금 넘는 시간 내에 지구가 그것의 궤도에서 어디에 있을 지 예측하는 것을 불가능하게 만들 것이라는 것을 보여주었다.

라스카르 가스티노

Jacques Laskar와 그의 동료 Micael Gastineau는 2008년에 2,500개의 가능한 미래를 직접 시뮬레이션하여 보다 철저한 접근법을 취했습니다.2,500건의 경우 각각 초기 조건이 약간 다릅니다.수성의 위치는 시뮬레이션마다 [16]약 1미터(3.3피트)씩 차이가 납니다.20번의 경우 수성은 위험한 궤도에 진입해 금성과 충돌하거나 태양으로 추락하는 경우가 많다.이렇게 뒤틀린 궤도로 움직이기 때문에 수성의 중력은 다른 행성들을 안정된 경로에서 벗어나게 할 가능성이 더 높습니다.한 시뮬레이션된 사례에서, 수성의 섭동은 화성을 [17]지구로 향하게 했다.

바티긴과 러플린

라스칼과 가스티나우와는 별개로, 바티긴과 러플린은 또한 200억년 후의 태양계를 직접 시뮬레이션하고 있었다.이들의 결과는 라스카르와 가스티노의 기본적인 결론에 도달했으며, 태양계의 [18]동적 수명에 대한 10억 년의 하한을 추가로 제시했습니다.

브라운과 라인

2020년, 토론토 대학의 개럿 브라운과 한노 레인은 50억년에 걸친 태양계의 수치적 통합 결과를 발표했다.그들의 연구는 수성의 궤도가 매우 혼란스러우며 오늘날 수성의 위치를 측정할 때 0.38 밀리미터(0.015 인치)만큼 작은 오차는 수성의 궤도의 이심률을 2억 년이 조금 넘는 시간 [19]내에 예측하는 것을 불가능하게 만들 것이라는 것을 보여주었다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b J. Laskar (1994). "Large-scale chaos in the Solar System". Astronomy and Astrophysics. 287: L9–L12. Bibcode:1994A&A...287L...9L.
  2. ^ Laskar, J.; P. Robutel; F. Joutel; M. Gastineau; et al. (2004). "A long-term numerical solution for the insolation quantities of the Earth" (PDF). Astronomy and Astrophysics. 428 (1): 261. Bibcode:2004A&A...428..261L. doi:10.1051/0004-6361:20041335.
  3. ^ a b Wayne B. Hayes (2007). "Is the outer Solar System chaotic?". Nature Physics. 3 (10): 689–691. arXiv:astro-ph/0702179. Bibcode:2007NatPh...3..689H. doi:10.1038/nphys728. S2CID 18705038.
  4. ^ 그리빈, 존매우 심플.랜덤 하우스 2004.
  5. ^ Laskar, Jacques (2000), Solar System: Stability, Bibcode:2000eaa..bookE2198L
  6. ^ Hall, Nina (1994-09-01). Exploring Chaos. p. 110. ISBN 9780393312263.
  7. ^ Ian Stewart (1997). Does God Play Dice? (2nd ed.). Penguin Books. pp. 246–249. ISBN 978-0-14-025602-4.
  8. ^ shina (2012-09-17). "The stability of the solar system". SlideServe. Retrieved 2017-10-26.
  9. ^ a b Gerald Jay Sussman; Jack Wisdom (1988). "Numerical evidence that the motion of Pluto is chaotic" (PDF). Science. 241 (4864): 433–437. Bibcode:1988Sci...241..433S. doi:10.1126/science.241.4864.433. hdl:1721.1/6038. PMID 17792606. S2CID 1398095.
  10. ^ David Shiga (23 April 2008). "The Solar System could go haywire before the Sun dies". NewScientist.com News Service. Archived from the original on 2014-12-31. Retrieved 2015-03-31.
  11. ^ O. Neron de Surgy; J. Laskar (February 1997). "On the long term evolution of the spin of the Earth". Astronomy and Astrophysics. 318: 975–989. Bibcode:1997A&A...318..975N.
  12. ^ Bailer-Jones, C.A.L.; Rybizki, J; Andrae, R.; Fouesnea, M. (2018). "New stellar encounters discovered in the second Gaia data release". Astronomy & Astrophysics. 616: A37. arXiv:1805.07581. Bibcode:2018A&A...616A..37B. doi:10.1051/0004-6361/201833456. S2CID 56269929.
  13. ^ Dodgson, Lindsay (January 8, 2017). "A star is hurtling towards our Solar System and could knock millions of comets straight towards Earth". Business Insider.
  14. ^ Brown, Garett; Rein, Hanno (30 June 2022). "On the long-term stability of the Solar System in the presence of weak perturbations from stellar flybys". academic.oup.com. arXiv:2206.14240. doi:10.1093/mnras/stac1763. Retrieved 2022-07-08.{{cite web}}: CS1 maint: 날짜와 연도(링크) CS1 maint: url-status(링크)
  15. ^ 태양계는 안정적입니까?2008-06-25를 Wayback Machine에 아카이브
  16. ^ Battersby, Stephen (10 June 2009). "Solar system's planets could spin out of control". New Scientist. Retrieved 2009-06-11.
  17. ^ Laskar, J.; Gastineau, M. (2009). "Existence of collisional trajectories of Mercury, Mars, and Venus with the Earth". Nature. 459 (7248): 817–819. Bibcode:2009Natur.459..817L. doi:10.1038/nature08096. PMID 19516336. S2CID 4416436.
  18. ^ Batygin, Konstantin (2008). "On the dynamical stability of the Solar system". The Astrophysical Journal. 683 (2): 1207–1216. arXiv:0804.1946. Bibcode:2008ApJ...683.1207B. doi:10.1086/589232. S2CID 5999697.
  19. ^ Brown, Garett; Rein, Hanno (2020), "A Repository of Vanilla Long-term Integrations of the Solar System", Research Notes of the AAS, 4 (12): 221, arXiv:2012.05177, doi:10.3847/2515-5172/abd103, S2CID 228063964

외부 링크