Обнаружен порождаемый черной дырой непредсказуемый хаос

• 14.09.2023
• 92 просмотра

Фото: Scott Evans / Unsplash

Астрономы Нидерландов и Великобритании обнаружили, что сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути порождает непредсказуемый хаос в орбитах вращающихся вокруг нее 27 звезд. При этом нельзя точно предсказать, какими будут эти обриты приблизительно через 462 года. Результаты исследования опубликованы в International Journal of Modern Physics D.

На протяжении веков было почти невозможно предсказать движение более чем двух космических тел, что известно как задача N-тел (частным случаем является задача трех тел). Лишь в 2018 году ученые Лейденского университета разработали компьютерную программу, исключив влияние ошибок округления на расчеты, что позволило рассчитать движение трех гравитационно взаимодействующих звезд. В новой работе исследователи использовали эту программу для моделирования орбит 27 звезд рядом со сверхмассивной черной дырой в ядре Млечного Пути.

Оказалось, что, хотя звезды остаются на орбитах вокруг черной дыры, эти орбиты хаотичны. Небольшие возмущения, вызванные основными взаимодействиями, немного изменяют траектории тел, однако эти изменения растут экспоненциально. Через какое-то время, известное как время Ляпунова и равное 462 годам плюс-минус 74 года, орбиты звезд становятся непредсказуемыми. Для сравнения: время Ляпунова применительно к Солнечной системе равно примерно 12 миллионам лет.

Для описания поведения системы ученые предложили термин «прерывистый хаос» (англ. punctuated chaos), поскольку возмущения в энергии орбит имеют дискретный, резкий характер. Две или три звезды подходят друг к другу слишком близко (на расстояние менее ста астрономических единиц), в результате чего происходит как взаимное притяжение, так и отталкивание. Это не только немного изменяет орбиты, но и вносит возмущение в положение центральной черной дыры, что, в свою очередь, влияет на орбиты всех других звезд. Хаотические вариации могут достигать больших значений в масштабе десятков астрономических единиц.

По словам ученых, результаты исследования впервые доказывают, что хаос в системе из N-тел в действительности имеет физическое происхождение. До сих пор специалистам не удавалось исключить влияние ошибок округления или других проблем в расчетах.