Sistemele planetare de la haos la stabilitatea științei
Studiul sistemelor planetare extrasolare relevă comportamente dinamice uimitoare. Un regim haotic inițial poate da loc unor configurații stabile, înainte de apariția complexității fizico-chimice și, în cele din urmă, a vieții.
Sistemele planetare descoperite în ultimii ani nu intră sub aceleași mecanisme de stabilitate ca și cele care funcționează în sistemul nostru solar. Adesea prezintă o evoluție haotică, care îi poate duce fie la dezintegrare, fie la stabilirea altor mecanisme de stabilizare
Pentru ca viața să se poată dezvolta pe o planetă cu atmosferă, sunt necesare condiții fizice și chimice bune. În plus, pare rezonabil să se impună ca aceste condiții să continue schimbându-se încet pe perioade lungi de timp, probabil cel puțin sute de milioane de ani.
Pentru aceasta, evoluția mișcărilor planetei în cauză în cadrul sistemului său planetar, adică a dinamicii sale, trebuie să fie regulată. Multă vreme, singurul sistem planetar cunoscut a fost Sistemul Solar, cu stabilitate și regularitate, dacă nu eternă, cel puțin imemorială. Dar descoperirea planetelor străine sistemului solar, mai întâi în jurul unei stele de neutroni în 1992 și, trei ani mai târziu, în jurul unei stele de tip solar, 51 Pegas, a reînviat speranța de a descoperi alte pământuri locuite. De atunci, au fost descoperite aproximativ 110 planete extrasolare, cunoscute și sub numele de exoplanete. Printr-o prejudecată legată de tehnicile de observare, marea lor majoritate sunt planete gigantice de gaz, asemănătoare cu Jupiter și foarte aproape de steaua lor. În câteva cazuri, două și uneori trei planete au fost detectate în jurul aceleiași stele. Până în prezent au fost identificate paisprezece sisteme multiplanetare. Aceste sisteme formate din mai multe planete gigantice au dezvăluit comportamente dinamice neașteptate, variate și bogate în lecții.
În special, studiul dinamicii sistemelor planetare extrasolare și a stabilității acestora face posibilă specificarea diferitelor condiții necesare apariției și evoluției complexității fizico-chimice și, în cele din urmă, apariției vieții. Acestea sunt constrângeri de natură dinamică, deoarece gradul de stabilitate dinamică a unui sistem planetar condiționează viitorul său pe perioade lungi de timp.
Prima procesiune de planete care orbitează o stea de tip solar, υ-Andromedae, a fost identificată în 1999. Această stea strălucitoare, situată la 44 de ani lumină de Pământ, este însoțită de trei planete cu mase similare sau mai mari cu cea a lui Jupiter. Acestea sunt foarte apropiate de stea: dacă aceste planete gigantice ar aparține Sistemului Solar, prima ar fi mai aproape de Soare decât Mercur, iar ultima ar fi situată la nivelul centurii principale de asteroizi, între Marte și Jupiter. !
Sisteme surprinzătoare
O astfel de apropiere generează interacțiuni gravitaționale mult mai intense decât cele care funcționează în cadrul sistemului solar. Pasajele apropiate și repetate ale planetelor masive provoacă abateri semnificative în traiectoria lor și perturbă orbitele provocând un balet dezordonat. Astfel de interacțiuni cumulative duc astfel la instabilitate și comportament haotic. Așa este soarta sistemului υ-Andromedae. Primele noastre simulări au arătat că traiectoriile planetelor sunt la fel de neregulate și încâlcite ca bilele de lână (vezi Figura 3). Orientarea planurilor orbitale ale planetelor și excentricitatea orbitelor lor variază rapid și aparent neregulat.
Cea mai utilizată metodă de detectare a exoplanetelor, cunoscută sub numele de viteze radiale, nu poate determina înclinațiile relative ale orbitelor planetelor. Masele lor sunt apoi în general cunoscute doar de un factor, care depinde tocmai de înclinație. În cazul sistemului υ-Andromedae, jocul pe acești doi parametri (masă și înclinație) este de așa natură încât există o incertitudine intrinsecă asupra ierarhiei maselor planetelor. Cu toate acestea, variațiile asupra maselor și înclinațiilor sunt suficiente pentru a induce, în simulări, comportamente foarte diferite din punct de vedere al stabilității. Astfel, prin inversarea ierarhiei maselor planetelor, este posibil să se modeleze un sistem fictiv atât de instabil încât să se dezintegreze prin ejectarea planetei sale externe în câteva milenii! În alte condiții de distribuție a masei care sunt mai favorabile stabilității, o planetă terestră, asemănătoare Pământului, inserată între cei doi giganți exteriori, ar fi aruncată în mai puțin de 40.000 de ani.
De fapt, υ-Andromedae prezintă un comportament care devine rapid haotic pentru toate variațiile parametrilor din jurul valorilor observate. Durata medie a regimului stabil al acestui sistem este de fapt de ordinul a câteva sute de ani. Acest comportament haotic redistribuie complet valorile parametrilor orbitali ai fiecărei planete în câteva mii de ani, o durată mult mai scurtă decât suta de milioane de ani de stabilitate asigurată pentru sistemul nostru solar. !
Acest lucru nu se aplică anumitor sisteme planetare noi: nu mai sunt reductibile la problema celor două corpuri perturbate. În mod surprinzător, aceste probleme autentice ale corpului n (cel puțin trei) prezintă alte structuri și mecanisme de bază care duc totuși la stabilitate. Sistemul Gliese 876 este o ilustrare perfectă a acestei situații neașteptate. Este alcătuit din două planete gigantice incredibil de apropiate de stea, prima fiind puțin peste o zecime dintr-o unitate astronomică (unitatea astronomică este distanța medie de la Pământ la Soare), a doua n 'fiind puțin mai mult decât dublă departe. Deși aceste planete sunt de aproximativ zece ori mai aproape de steaua centrală decât cele două planete exterioare ale sistemului υ-Andromedae, interacțiunile gravitaționale intense nu au distrus coeziunea întregului. Orbitele sunt aproape periodice și desenează tori bine definite tori după tura (vezi figura 4).
Confruntându-se cu comportamentul uimitor al acestor două sisteme, echipa noastră a întreprins un studiu teoretic sistematic al tendințelor dinamice adoptate de sistemele planetare, indiferent dacă sunt observate sau fictive. Explorăm diferitele comportamente dinamice posibile variind masele și parametrii care definesc geometria orbitelor. Acestea din urmă sunt estimate pe porțiuni mici de traiectorie asimilate local unei orbite eliptice convenționale, caracterizate prin elemente precum axa semi-majoră, excentricitate sau înclinare. Prin urmare, este posibil să se studieze o clasă de sisteme planetare din care a fost observată o singură probă sau chiar o categorie dată a priori și să se determine condițiile stabilității sale durabile. Astfel vom putea ajunge la o clasificare a sistemelor planetare pe baza unor criterii dinamice.
Criterii de stabilitate
Studiem criteriile geometrice de stabilitate, conform unei proceduri cunoscute sub numele de „a dinamicii globale în spațiul parametrilor”. Echipa noastră a dezvoltat o metodă adecvată sistemelor cu un număr mare de grade de libertate, care face posibilă localizarea traiectoriilor stabile și instabile, cuantificarea gradului de instabilitate și distincția între comportamentele regulate și haotice. Calculăm dacă sistemul este stabil, instabil sau haotic, variind parametrii geometrici ai orbitelor împreună în perechi, 12 pentru 2 planete. Aceste simulări globale pot, de exemplu, să dezvăluie în parametrii zone spațiale de instabilitate ridicată care înconjoară o vale de stabilitate. Cuplând aceste rezultate pentru diferite perechi de parametri, delimităm posibilele zone de stabilitate pentru toate configurațiile inițiale ale sistemului planetar.