Όσο εξωφρενικό κι αν ακούγεται, οι παραξενιές της τροχιακής μηχανικής θα μπορούσαν να επιτρέψουν σε δεκάδες πλανήτες να συνωστίζονται γύρω από ένα άστρο

Σύμφωνα με το σενάριο της ταινίας επιστημονικής φαντασίας «Journey to the Far Side of the Sun (1969)», οι αστρονόμοι ανακαλύπτουν έναν πανομοιότυπο με τη Γη πλανήτη στο αντιδιαμετρικό σημείο της τροχιάς μας, ο οποίος παραμένει αθέατος γιατί παρεμβάλλεται διαρκώς ο Ήλιος ανάμεσά μας. Μια διαστημική αποστολή το 2069, αναλαμβάνει την εξερεύνησή του, αλλά καταλήγει σε συντριβή κατά την προσεδάφιση στον νέο πλανήτη. Ο μοναδικός επιζών ξυπνά στο νοσοκομείο, πιστεύοντας ότι η αποστολή απέτυχε και έχει επιστρέψει πίσω στη Γη. Σύντομα, όμως, παρατηρεί ότι τα πάντα εμφανίζονται με κατοπτρική συμμετρία σε σχέση με τη Γη (γραπτά κείμενα, ρολόγια, ακόμη και εσωτερικά όργανα των ανθρώπων). Συνειδητοποιεί ότι δεν γύρισε ποτέ σπίτι του, αλλά βρίσκεται στην «Αντί-Γη», η οποία είναι ένα τέλειο, κατοπτρικό είδωλο του δικού μας κόσμου!

Παρότι επρόκειτο για ταινία β’ διαλογής, η ιδέα μιας «αντί-Γης» στην ίδια τροχιά με την Γη ήταν συναρπαστική. Η ιδέα ακούγεται παράδοξη αλλά μας οδηγεί σε ένα ενδιαφέρον ερώτημα: μπορούν δύο πλανήτες να μοιράζονται την ίδια τροχιά; Γνωρίζουμε, βέβαια, ότι δεν υπάρχει τέτοιος πλανήτης. Οι βαρυτικές του επιδράσεις σε άλλους πλανήτες, όπως ο Άρης και η Αφροδίτη, θα ήταν εμφανείς. Άλλωστε, έχουμε στείλει διαστημοσυσκευές σε ολόκληρο το ηλιακό σύστημα, οι οποίες δεν εντόπισαν ποτέ μια τέτοια πλανητική διάταξη.

Είναι όμως αυτό δυνατό; Θα μπορούσαν δύο πλανήτες να μοιράζονται την ίδια τροχιά; Η απάντηση είναι καταφατική. Στην πραγματικότητα, πολλοί πλανήτες μπορούν τεχνικά να μοιράζονται την ίδια τροχιά ή για να είμαστε ακριβείς, την ίδια τροχιακή ζώνη. Και όταν το κάνουν, η συμπεριφορά τους γίνεται αρκετά παράξενη.

Η φυσική που περιγράφει την κίνηση ενός αντικειμένου που βρίσκεται σε τροχιά γύρω από ένα άλλο, για παράδειγμα, ενός πλανήτη που περιφέρεται γύρω από ένα άστρο είναι γνωστή ήδη από την εποχή του Ισαάκ Νεύτωνα. Τα μαθηματικά για ένα τόσο απλό σύστημα είναι αρκετά εύκολα. Και είναι ντετερμινιστικά: αφού διατυπωθούν οι εξισώσεις, μπορεί να προβλεφτεί πώς θα είναι το σύστημα σε οποιαδήποτε στιγμή στο μέλλον ή πώς ήταν στο παρελθόν.

Αν όμως προσθέσεις ένα τρίτο αντικείμενο, οι μαθηματικές εξισώσεις γίνονται πιο περίπλοκες και πολύ δύσκολα επιλύονται. Υπό ορισμένες συνθήκες, ωστόσο, υπάρχουν λύσεις που επιτρέπουν ένα σταθερό σύστημα, ακόμη και αν δύο τέτοιοι πλανήτες αλληλεπιδρούν. Μία από αυτές τις λύσεις περιγράφει ένα περίεργο φαινόμενο που ονομάζεται τροχιά πετάλου (horseshoe orbit) και βασίζεται σε ένα παράδοξο της τροχιακής μηχανικής.

Πώς λειτουργεί μια τροχιά πετάλου;

Φανταστείτε ότι δύο πλανήτες βρίσκονται σε τροχιά γύρω από ένα άστρο σε πολύ παραπλήσιες διαδρομές, αλλά ο ένας (ας τον ονομάσουμε Πλανήτη 1) βρίσκεται οριακά πιο κοντά στο άστρο από τον άλλο (Πλανήτης 2). Αυτός ο εσωτερικός πλανήτης, όντας πιο κοντά, θα κινείται ταχύτερα γύρω από το άστρο σε σχέση με τον εξωτερικό πλανήτη. Τελικά θα προλάβει τον Πλανήτη 2. Αυτό που συμβαίνει στη συνέχεια είναι πέρα από την διαίσθησή μας: αντί να συγκρουστούν ή να εκσφενδονιστεί ο ένας μακριά αναπτύσσοντας τεράστια ταχύτητα, αρχίζουν να αλληλεπιδρούν βαρυτικά ενώ απέχουν ακόμη μεγάλη απόσταση μεταξύ τους. Εξετάζοντας μόνο τον Πλανήτη 1 για μια στιγμή, αυτός έλκεται προς τα εμπρός από την βαρύτητα του Πλανήτη 2, κερδίζοντας περισσότερη τροχιακή ενέργεια.

Εδώ ακριβώς υπεισέρχεται η ιδιορρυθμία της τροχιακής μηχανικής: αν δώσετε σε ένα αντικείμενο περισσότερη ενέργεια (ας πούμε, επιταχύνοντάς το), αυτό φυσικά θα μετακινηθεί σε μια πιο εξωτερική τροχιά, δηλαδή με μεγαλύτερη ακτίνα. Έτσι, καθώς ο Πλανήτης 1 επιταχύνει, μετατοπίζεται ελαφρώς πιο μακριά από το άστρο. Όμως τα αντικείμενα σε μεγαλύτερες τροχιές κινούνται πιο αργά. Συνεπώς, ο Πλανήτης 1 επιβραδύνει και αρχίζει να μένει πίσω από τον Πλανήτη 2, διευρύνοντας την μεταξύ τους απόσταση. Όπως φαίνεται από τον Πλανήτη 2, ο Πλανήτης 1 μοιάζει να πλησιάζει από την εσωτερική λωρίδα, να επιβραδύνει, να μετακινείται στην εξωτερική λωρίδα και στη συνέχεια να απομακρύνεται ξανά. Είναι σαν ο Πλανήτης 2 να απώθησε τον Πλανήτη1! Στην πραγματικότητα, και τα δύο σώματα περιφέρονται γύρω από το άστρο προς την ίδια κατεύθυνση, απλώς με διαφορετικές, μεταβαλλόμενες ταχύτητες.

Τι συμβαίνει όμως με τον Πλανήτη 2; Επηρεάζεται επίσης από την βαρύτητα του Πλανήτη 1 κατά τη διάρκεια της συνάντησης. Ο Πλανήτης 1 τραβά τον Πλανήτη 2 προς τα πίσω, «κλέβοντας» μέρος της τροχιακής ενέργειας του τελευταίου. Αυτό ρίχνει τον Πλανήτη 2 σε μια μικρότερη τροχιά, όπου επιταχύνει και προσπερνά τον Πλανήτη 1. Έτσι, τώρα ο Πλανήτης 1 βρίσκεται στην εξωτερική τροχιά και ο Πλανήτης 2 στην εσωτερική. Έχουν ανταλλάξει τροχιές!

Τελικά συναντιούνται ξανά, και αυτή τη φορά οι ρόλοι αντιστρέφονται: ανταλλάσσουν τροχιές για άλλη μια φορά, και επιστρέφουμε στην αρχική κατάσταση.

Αυτό δεν είναι απλά ένα θεωρητικό αποτέλεσμα. Το βλέπουμε να συμβαίνει στο δικό μας ηλιακό σύστημα. Ο Κρόνος έχει ένα ζευγάρι δορυφόρων, τον Ιανό και τον Επιμηθέα, οι οποίοι περιφέρονται γύρω από τον πλανήτη σε τροχιές που διαφέρουν σε ακτίνα κατά μόλις 50 χιλιόμετρα και υφίστανται ακριβώς αυτή την ανταλλαγή τροχιών περίπου κάθε τέσσερα χρόνια. Επομένως, όχι μόνο συμβαίνει στην πραγματικότητα, αλλά αποτελεί στην πράξη μια σταθερή διαμόρφωση.

Αυτό σημαίνει ότι δύο πλανήτες μπορούν πράγματι να μοιράζονται (ή σχεδόν να μοιράζονται) την ίδια τροχιά. Και παρόλο που θα συναντιώνται, μπορούν να το κάνουν με ασφάλεια. Τι γίνεται όμως με μια διάταξη με περισσότερους συν-τροχιακούς πλανήτες, ας πούμε τρεις; Mπορεί να λειτουργήσει;

Σύμφωνα με τη δημοσίευση «Constellations of co-orbital planets: horseshoe dynamics, long-term stability, transit timing variations, and potential as SETI beacons» των Sean Raymond et al, στο περιοδικό Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS), πολύ περισσότεροι από δύο πλανήτες μπορούν να συνυπάρξουν στην ίδια τροχιά – ή πιο σωστά, στην ίδια τροχιακή ζώνη!

Αρχικά, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τα μαθηματικά της τροχιακής μηχανικής για να προσομοιώσουν την φυσική δύο πλανητών στο μέγεθος της Γης που περιφέρονται γύρω από ένα άστρο σαν τον Ήλιο σε απόσταση 150 εκατομμυρίων χιλιομέτρων (η πραγματική απόσταση Γης-Ήλιου) και έδειξαν ότι μπορούν να παραμείνουν σε τέτοιες τροχιές πετάλου για δισεκατομμύρια χρόνια! Στη συνέχεια, η ομάδα πρόσθετε όλο και περισσότερους πλανήτες για να δει τι θα συνέβαινε.

Όταν δύο πλανήτες συναντιούνται, ανταλλάσσουν τροχιές, όπως περιγράφηκε παραπάνω. Τελικά όμως ο ένας θα πλησιάσει τον τρίτο πλανήτη. Όταν συμβεί αυτό, ανταλλάσσουν τροχιές και απομακρύνονται. Εν τέλει, ένας από αυτούς τους δύο συναντά τον πρώτο πλανήτη, και ολόκληρο το σκηνικό επαναλαμβάνεται. Αυτό συμβαίνει σε κάθε (κοντινή) προσέγγιση του ενός πλανήτη με τον άλλο.

Απίστευτο, αλλά αληθινό, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι αυτό ισχύει ακόμη κι αν υπήρχουν έως και 24 πλανήτες στο μέγεθος της Γης συνωστισμένοι σε μία μόνο τροχιά! Είκοσι τέσσερις! Σοκαριστικό. Κι όμως, φαίνεται να λειτουργεί στις προσομοιώσεις· κανένας πλανήτης δεν μπορεί να προχωρήσει πολύ στην πορεία του χωρίς να συναντήσει έναν άλλον, και όταν συναντηθούν, ανταλλάσσουν τροχιές και συνεχίζουν μέχρι την επόμενη συνάντηση με τον επόμενο πλανήτη στη σειρά, γλιστρώντας διαρκώς και δίνοντας μάχη για θέση.

Οι επιστήμονες το δοκίμασαν ακόμη και σε μια προσομοίωση του δικού μας ηλιακού συστήματος. Όπως ανακάλυψαν, το σύστημά μας θα μπορούσε να παραμείνει σταθερό αν προσθέταμε μερικές επιπλέον «Γαίες» ή «Αφροδίτες» να μοιράζονται την ίδια τροχιακή ζώνη με τους ομώνυμους πλανήτες, ή αντίστοιχα, έναν ακόμη Ερμή ή Άρη στις δικές τους ζώνες.

Η δημιουργία ενός τέτοιου συστήματος δεν είναι εύκολη. Είναι πιθανό ένας πολύ πυκνός δακτύλιος σκόνης γύρω από ένα άστρο να σχημάτιζε ταυτόχρονα αρκετούς πλανήτες στην ίδια τροχακή ζώνη, αν και οι συνθήκες θα έπρεπε να είναι εξαιρετικά ρυθμισμένες για να συμβεί κάτι τέτοιο. Επιπλέον, λόγω των βαρυτικών τους αλληλεπιδράσεων, οι πλανήτες μπορούν να «μεταναστεύσουν» σε πολύ μεγαλύτερη κλίμακα, είτε πλησιάζοντας είτε απομακρυνόμενοι από το μητρικό τους άστρο. Αν, μέσω αυτής της διαδικασίας, αρκετοί μικρότεροι πλανήτες υποστούν απότομες μετατοπίσεις, θα μπορούσαν να καταλήξουν να μοιράζονται κοινές τροχιακές ζώνες.

Ο εντοπισμός τέτοιων πλανητικών συστημάτων από τη Γη είναι επίσης εφικτός. Ένας τρόπος με τον οποίο εντοπίζουμε εξωπλανήτες είναι μέσω της μεθόδου των διελεύσεων, κατά την οποία ένας πλανήτης που περνά ακριβώς μπροστά από το άστρο του δημιουργεί μια μίνι έκλειψη, όπως φαίνεται από τη Γη. Αν συμβούν πολλές διελεύσεις διαδοχικά όταν θα έπρεπε να βλέπουμε μόνο μία για την συγκεκριμένη τροχιά, αυτό θα αποτελούσε μια ξεκάθαρη ένδειξη. Επιπλέον, το γεγονός ότι οι πλανήτες σε αυτή τη διάταξη γλιστρούν κατά μήκος της τροχιάς τους και ανταλλάσσουν θέσεις σημαίνει ότι οι θέσεις τους σε αυτή την τροχιά αλλάζουν, γεγονός που, με τη σειρά του, μεταβάλλει τον χρονισμό των διελεύσεων. Αυτό θα ήταν επίσης ανιχνεύσιμο, ακόμη κι αν δεν συμμετέχουν όλοι οι πλανήτες στην «παρέλαση» των διελεύσεων.

Οι συγγραφείς στην δημοσίευση του MNRAS υποθέτουν ότι υπάρχει κι άλλος ένας τρόπος να σχηματιστούν αυτά τα συστήματα: η σκόπιμη κατασκευή τους. Το να υπάρχουν πολλοί πλανήτες όλοι σε μία τροχιά θα μπορούσε να είναι βολικό για τα διαπλανητικά ταξίδια. Κι ενώ η μετακίνηση ολόκληρων πλανητών φαντάζει ακατόρθωτο εγχείρημα, ένας επαρκώς τεχνολογικά προηγμένος εξωγήινος πολιτισμός ίσως έκρινε ότι αξίζει τον κόπο. Κι αν ποτέ βρίσκαμε ένα τέτοιο σύστημα … τότε, αυτό ίσως να ήταν ο πιο απίθανος τρόπος ανακάλυψης κάποιου εξωγήινου πολιτισμού! Κάτι που ίσως θα μας οδηγούσε στην επανεκτίμηση της άποψής μας για την ταινία «Journey to the Far Side of the Sun«.

Διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες ΕΔΩ: Phil Plait – How many planets could fit in the solar system? – https://www.scientificamerican.com/article/how-many-planets-could-fit-in-the-solar-system/

Κατηγορίες:ΑΣΤΡΟΝΟΜΙΑ, ΑΣΤΡΟΦΥΣΙΚΗ, ΕΞΩΓΗΙΝΗ ΖΩΗ, ΣΙΝΕΜΑ

Ετικέτες: PHYSICS