De aarde zou waarschijnlijk niet moeten bestaan.
Dit komt omdat de banen van de planeten van het binnenste zonnestelsel – Mercurius, Venus, de aarde en Mars – chaotisch zijn, en modellen hebben gesuggereerd dat deze binnenplaneten nu tegen elkaar zouden zijn gebotst. En toch is dit niet gebeurd.
Nieuw onderzoek werd op 3 mei gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling X (opent in nieuw tabblad) kan eindelijk uitleggen waarom.
Door een diepe duik in modellen voor planetaire beweging, ontdekten de onderzoekers dat de bewegingen van de binnenste planeten worden beperkt door bepaalde parameters die fungeren als een ketting die de chaos van het systeem beperkt. Naast het geven van een wiskundige verklaring voor de schijnbare harmonie in ons zonnestelsel, kunnen inzichten uit de nieuwe studie wetenschappers helpen de banen van exoplaneten rond andere sterren.
Onvoorspelbare planeten
De planeten oefenen constant een wederzijdse zwaartekracht op elkaar uit – en deze kleine sleepboten maken voortdurend kleine aanpassingen aan de banen van de planeten. De buitenste planeten, die veel groter zijn, zijn beter bestand tegen kleine sleepboten en behouden dus relatief stabiele banen.
Het probleem van de banen van de binnenplaneten is echter nog te ingewikkeld om precies op te lossen. Aan het einde van de 19e eeuw bewees wiskundige Henri Poincaré dat het wiskundig onmogelijk is om de vergelijkingen op te lossen die de beweging regelen voor drie of meer op elkaar inwerkende objecten, ook wel bekend als “probleem met drie lichamenAls gevolg hiervan nemen de onzekerheden in de details van de beginposities en snelheden van de planeten in de loop van de tijd toe. Met andere woorden: het is mogelijk om twee scenario’s te krijgen waarin de afstanden tussen Mercurius, Venus, Mars en de aarde een heel klein beetje verschillen, en in het ene scenario botsen de planeten tegen elkaar en in het andere bewegen ze uit elkaar.
De tijd die twee banen met bijna identieke beginvoorwaarden nodig hebben om een bepaalde hoeveelheid af te wijken, staat bekend als de Lyapunov-tijd van het chaotische systeem. 1989, Jaques Lascar (opent in nieuw tabblad)astronoom en onderzoeksdirecteur bij het Nationaal Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek en het Observatorium van Parijs en co-auteur van de nieuwe studie, berekend de karakteristieke Lyapunov-tijd (opent in nieuw tabblad)voor de planetaire banen van het binnenste zonnestelsel was het slechts 5 miljoen jaar.
“Kortom, het betekent dat je elke 10 miljoen jaar een cijfer verliest”, vertelde Laskar aan WordsSideKick.com. Dus als de aanvankelijke onzekerheid in de positie van een planeet bijvoorbeeld 15 meter is, zou die onzekerheid 10 miljoen jaar later 150 meter zijn. Na 100 miljoen jaar gaan nog eens 9 cijfers verloren, wat een onzekerheid oplevert van 150 miljoen kilometer, wat overeenkomt met de afstand tussen de aarde en de zon. “Je hebt eigenlijk geen idee waar de planeet is,” zei Laskar.
Hoewel 100 miljoen jaar misschien een lange tijd lijkt, is het zonnestelsel zelf meer dan 4,5 miljard jaar oud, en het ontbreken van dramatische gebeurtenissen, zoals een planetaire botsing of een planeet die uit al die chaotische bewegingen wordt geworpen, is zeer raadselachtig voor wetenschappers.
Laskar benaderde het probleem vervolgens op een andere manier: door de banen van de binnenplaneet gedurende de volgende 5 miljard jaar te simuleren, van het ene moment op het andere. Hij vond slechts een kans van 1% op een planetaire botsing. Met dezelfde benadering berekende hij dat het gemiddeld zo’n 30 miljard jaar zou duren voordat een van de planeten zou botsen.
De chaos ontspannen
Bij het onderzoeken van de wiskunde identificeerden Laskar en zijn collega’s voor het eerst “symmetrieën” of “geconserveerde grootheden” in zwaartekrachtinteracties die een “praktische barrière vormen voor het chaotische ronddwalen van planeten”, zei Laskar.
Deze pop-up hoeveelheden blijven bijna constant en remmen sommige chaotische bewegingen, maar voorkomen ze niet volledig, net zoals de opstaande rand van een bord voorkomt dat voedsel van het bord valt, maar niet volledig voorkomt. We kunnen deze hoeveelheden bedanken voor de schijnbare stabiliteit van ons zonnestelsel.
Renu Malhotra (opent in nieuw tabblad), hoogleraar Planetaire Wetenschappen aan de Universiteit van Arizona die niet betrokken was bij het onderzoek, benadrukte hoe subtiel de mechanismen zijn die in het onderzoek zijn geïdentificeerd. Malhotra vertelde WordsSideKick.com dat het interessant is dat “de planetaire banen van ons zonnestelsel extreem zwakke chaos vertonen”.
In ander werk zoeken Laskar en zijn collega’s naar aanwijzingen of het aantal planeten in het zonnestelsel ooit verschilde van wat we vandaag zien. Ondanks de huidige stabiliteit blijft het een open vraag of dit altijd het geval was in de miljarden jaren voordat het leven evolueerde.
