کشف تکان‌دهنده! 🤯 برخورد ۳ جرم کیهانی: نظم در بی‌نظمی!

یه کشف تازه تو باب تعاملات گرانشی سه تا جسم تو فضا

وقتی سه تا جسم گنده تو فضا با هم برخورد می‌کنن، اثرات متقابلشون از طریق جاذبه به شکل‌هایی در میاد که پیش‌بینی‌شون خیلی سخته. خلاصه بگم: به‌هم‌ریختگی. این برداشتِ جاافتاده از این پدیده است. ولی الان یه پژوهشگر از دانشگاه کپنهاگ فهمیده که این برخوردها معمولاً از بی‌نظمی دوری می‌کنن و به جاش، الگوهای منظمی رو دنبال می‌کنن که توش یکی از اجسام با سرعت زیادی از سیستم بیرون می‌ره. این دیدگاه جدید ممکنه تو فهم ما از امواج گرانشی و جنبه‌های دیگه جهان خیلی مهم باشه.

سریال پرطرفدار نتفلیکس و مسئله سه جسم

الان، پرطرفدارترین برنامه تو نتفلیکس، سریال علمی تخیلی مسئله سه جسم هست. این سریال بر اساس مجموعه رمان‌های چینی نوشته لیو سی‌سین ساخته شده و کلی آدم، دوره‌های زمانی و حتی موجودات فضایی داره. ولی فرض اصلیش به یه منظومه ستاره‌ای مربوط میشه که سه تا ستاره دور هم می‌چرخن. اینجور سیستم‌هایی که سه تا جسم روی هم اثر می‌ذارن، از وقتی که ایزاک نیوتن، “پدر گرانش”، توصیفش کرد، دانشمندا رو محو خودش کرده.

درحالی‌که تعامل بین دو تا جسم تو فضا قابل‌پیش‌بینیه، اضافه کردن یه جسم بزرگ سوم، این برخورد سه‌تایی رو نه‌تنها پیچیده، بلکه آشوبناک هم می‌کنه. «مسئله سه جسم یکی از معروف‌ترین مسائل حل‌نشده تو ریاضیات و فیزیک نظریه. این تئوری می‌گه وقتی سه تا جسم با هم برخورد می‌کنن، تعاملشون به شکل هرج و مرج پیش می‌ره، بدون هیچ نظمی و کاملاً بی‌نظمی نسبت به نقطه شروعشون داره. اما میلیون‌ها شبیه‌سازی به ما نشون می‌ده که تو این شلوغی، جاهایی هستن – ‘جزایر منظم’ – که مستقیماً به این بستگی دارن که این سه تا جسم چطوری نسبت به هم قرار گرفتن وقتی با هم برخورد می‌کنن، و همچنین سرعت و زاویه نزدیک‌شدنشون.» اینا حرفای آلساندرو آلبرتو ترانی از مؤسسه نیلز بور دانشگاه کپنهاگ هستن.

اهمیت این کشف برای مدل‌های نجومی

ترانی امیدوارِ این کشف راه رو برای بهتر کردن مدل‌های نجومی باز کنه، چون مسئله سه جسم فقط یه چالش نظری نیست. برخورد سه جسم تو جهان یه اتفاق معمولیه و فهمیدنش خیلی مهمه. «اگه بخوایم امواج گرانشی که از سیاه‌چاله‌ها و بقیه‌ی اجسام بزرگ متحرک ساطع میشن رو درک کنیم، تعاملات سیاه‌چاله‌ها وقتی با هم ملاقات می‌کنن و ادغام میشن، خیلی مهمه. نیروهای عظیمی اینجا در حال بازی‌ان، مخصوصاً وقتی سه تا سیاه‌چاله با هم مواجه میشن. پس، فهم ما از این برخوردها می‌تونه کلید فهمیدن پدیده‌هایی مثل امواج گرانشی، خود گرانش و خیلی از رازهای اساسی دیگه جهان باشه.» اینا رو این محقق میگه.

سونامی شبیه‌سازی‌ها

برای بررسی این پدیده، ترانی نرم‌افزار خودش رو که اسمش تسونامی هست، کدنویسی کرد، که می‌تونه حرکت‌های اجسام نجومی رو بر اساس اطلاعاتی که از قوانین طبیعت داریم، مثل گرانش نیوتن و نسبیت عام اینشتین محاسبه کنه. ترانی اون رو تنظیم کرد که میلیون‌ها شبیه‌سازی از برخورد سه‌جسمی تو چارچوب‌های مشخص اجرا کنه.

پارامترهای اولیه‌ی شبیه‌سازی‌ها

پارامترهای اولیه برای شبیه‌سازی‌ها شامل موقعیت دو جسم تو مسیر مداریشون بود، یعنی فازشون رو طول یه محور ۳۶۰ درجه. بعدش، زاویه نزدیک‌شدن جسم سوم با تغییرات ۹۰ درجه‌ای بررسی شد. میلیون‌ها شبیه‌سازی تو این چارچوب، بین ترکیب‌های مختلف انجام شد. درکل، نتایج یه نقشه‌ی تقریبی از همه نتایج ممکن رو تشکیل می‌دن، مثل یه تیکه فرش بزرگ که از رشته‌های پیکربندی‌های اولیه بافته شده. اینجاست که جزایر منظم ظاهر میشن. رنگ‌ها نشون‌دهنده‌ی جسمی هستن که در نهایت بعد از برخورد از سیستم خارج میشه. تو بیشتر موارد، این جسم کم‌جرم‌ترین هستش. «اگه مسئله‌ی سه‌جسمی کلاً بی‌نظم بود، فقط یه ترکیب بی‌نظم از نقاط غیرقابل‌تشخیص می‌دیدیم که سه نتیجه توش بدون هیچ نظم قابل تشخیصی با هم ترکیب شده‌ن. ولی در عوض، جزایر منظم از این دریای بی‌نظمی ظاهر میشن، جایی که سیستم قابل‌پیش‌بینی رفتار می‌کنه و به نتایج یکنواختی منجر میشه و درنتیجه، رنگ‌های یکنواختی رو هم داره.» اینا توضیحای ترانی‌ان.

دو قدم جلو، یه قدم عقب

این کشف امیدهای زیادی برای فهم عمیق‌تر یه پدیده‌ی به‌ظاهر غیرممکن داره. با این حال، تو کوتاه‌مدت، این موضوع یه چالش برای پژوهشگرا به‌حساب میاد. بی‌نظمی مطلق چیزیه که اونا قبلاً می‌دونستن چطوری با استفاده از روش‌های آماری حسابش کنن، ولی وقتی بی‌نظمی با منظم بودن تداخل پیدا می‌کنه، محاسبات پیچیده‌تر میشن. «وقتی بعضی از مناطق تو این نقشه نتایج ممکن، ناگهان منظم میشن، این موضوع محاسبات احتمال آماری رو خراب می‌کنه و به پیش‌بینی‌های اشتباه منجر میشه. چالشی که الان داریم اینه که یاد بگیریم چطوری روش‌های آماری رو با محاسبات عددی ترکیب کنیم که تو زمانی که سیستم منظم رفتار می‌کنه دقت بالایی ارائه بدن.» اینا حرفای آلساندرو آلبرتو ترانیه. «به این معنی، نتایج من ما رو به نقطه‌ی صفر برگردونده، ولی درعین‌حال، امید یه درک کاملاً جدید تو بلندمدت رو ارائه میده» اینم حرفای خودشه.

اطلاعات اضافی: مسئله چهار جسمی

تو دوره‌ی پاندمی، آلساندرو آلبرتو ترانی یه پروژه‌ی جانبی رو شروع کرد که جهان‌های فرکتالی رو تو چارچوب مسئله‌ی سه‌جسمی بررسی کنه. همون موقع بود که ایده‌ی نقشه‌برداری از نتایج به‌دنبال منظم بودن، به ذهنش رسید. اون این مسئله‌ی معروف رو از مطالعاتش می‌شناخت، ولی به آثار داستانی مثل سریال اخیر نتفلیکس یا اون رمان پشتش، یعنی «مسئله‌ی سه‌جسمی» اثر لیو سی‌سین، نپرداخته بود. با این حال، از سر کنجکاوی، به‌اندازه کافی با داستان آشنا شد تا نتیجه بگیره که درواقع داره به «مسئله‌ی چهار جسمی» می‌پردازه. «به‌نظر من، این موضوع شامل یه سیستم ستاره‌ای با سه تا ستاره و یه سیاره هست که به‌طور منظم تو تحولات نامنظم قرار می‌گیره. اینجور سیستمی، درواقع بهترین تعریف رو به عنوان یه مسئله‌ی چهار جسمی داره. ولی هرجوری که تعریفش کنید، طبق شبیه‌سازی‌های من، محتمل‌ترین نتیجه اینه که اون سیاره خیلی زود توسط یکی از اون سه تا ستاره نابود میشه. بنابراین، زود به‌زود تبدیل به یه مسئله‌ی سه‌جسمی میشه» محقق با لبخند می‌گه.

“`