НаверхРазгадка века: учёные нашли порядок в знаменитом хаосе трёх тел
Задача трёх тел оказалась менее хаотичной, чем думали учёные. Как это меняет наше понимание гравитации и чёрных дыр?
Знаменитая хаотичная задача трёх тел, описывающая гравитационное взаимодействие трёх масс, веками ставила физиков в тупик. Теперь новое исследование показывает, что задача трёх тел не такая хаотичная, как думали учёные, и это открытие может сделать задачу ещё более запутанной.
Когда решение проблемы трех тел намечается на основе того, где начинаются три объекта по отношению друг к другу, из хаоса возникают островки стабильности, сообщают исследователи в сентябрьском номере журнала Astronomy & Astrophysics. По словам исследователей, задача трёх тел могла бы помочь ученым обнаружить сталкивающиеся черные дыры.
Гравитационные взаимодействия между двумя телами можно достоверно описать и отобразить с помощью уравнений. Но когда в систему добавляется третий объект, всё становится сложнее: движение тел непредсказуемо и часто заканчивается тем, что одно из тел выбрасывается из системы. Даже небольшие изменения в их начальных массах, скоростях или положениях часто приводят к совершенно разным результатам.
В общих чертах исследователи используют статистику, чтобы предсказать, как часто одно из трёх тел будет выброшено из системы. Но когда Алессандро Трани, физик-теоретик из Института Нильса Бора в Дании, и его коллеги провели компьютерное моделирование задачи трёх тел, их результаты не совпали со статистическими прогнозами.
Их эксперименты начались с двойной системы — двух объектов, вращающихся вокруг друг друга, — и одного объекта, приближающегося из другой точки космоса. В ходе более чем миллиона симуляций команда меняла положение двух тел в двойной системе и угол приближения одиночного объекта. Затем они позволили трём телам взаимодействовать до тех пор, пока одно из них не было выброшено из системы.
В чисто хаотической системе даже небольшое изменение положения или угла наклона трёх тел может привести к тому, что один из трёх объектов будет выброшен. Однако Трани и его коллеги обнаружили несколько диапазонов положений и углов, при которых каждый раз выбрасывается один и тот же объект. Эти «островки регулярности» представляют собой пробелы в хаосе задачи трёх тел.
Эти нехаотичные зоны могут усложнить процесс прогнозирования взаимодействия трёх тел в космосе. По словам Трани, прогнозы, которые учёные обычно делают для таких астрофизических взаимодействий, основаны на статистике. Но чисто статистические расчёты не подходят для задач, включающих в себя области как хаоса, так и упорядоченности.
«Нам нужно сочетать статистические прогнозы для хаотического пространства с обычной механической теорией или детерминистской теорией для упорядоченного пространства, а также знать, как сочетать результаты, — сказал Трани в интервью Live Science. — Это самая сложная часть: определить, где задача трёх тел является хаотической, а где нет, без проведения симуляций».
Обнаружение этих областей стабильности также может помочь учёным выявить и понять природу гравитационных волн, которые возникают при взаимодействии или слиянии чёрных дыр. Взаимодействие трёх чёрных дыр, которое довольно часто происходит в звёздных скоплениях, может привести к тому, что две из них начнут двигаться навстречу друг другу. Но прогнозы таких событий учитывают только те случаи, которые возникают в результате хаотичного взаимодействия. По словам Трани, среди трёх чёрных дыр может происходить больше нехаотичных взаимодействий и, следовательно, больше возможностей для изучения гравитационных волн.
