Den överraskande gravitationsdansen som planeter utför med inriktade banor

By | February 4, 2024

Den här artikeln har granskats i enlighet med Science X:s redaktionella process och policys. Redaktörerna har lyft fram följande attribut samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

verifierad

pålitlig källa

skriven av forskare

korrekt


Planeter kan gravitationsmässigt påverka varandra när deras banor är i linje. Kredit: NASA/JPL-Caltech

× nära


Planeter kan gravitationsmässigt påverka varandra när deras banor är i linje. Kredit: NASA/JPL-Caltech

Planeterna kretsar kring sina moderstjärnor och är åtskilda av enorma avstånd; I vårt solsystem är planeterna som sandkorn i en region lika stor som en fotbollsplan. Den tid det tar för planeter att kretsa runt sina solar har inget specifikt förhållande till varandra.

Men ibland visar deras banor överraskande mönster. Till exempel har astronomer som studerar sex planeter som kretsar runt en stjärna 100 ljusår bort precis upptäckt att de kretsar runt sin stjärna i en nästan rytmisk rytm, i perfekt synkronisering. Varje planetpar fullbordar sina banor i tider som är heltalsförhållanden, vilket gör att planeterna kan rikta in sig och utöva ett gravitationstryck och dra på varandra under sin omloppsbana.

Denna typ av gravitationsinriktning kallas orbital resonans och är som en harmoni mellan avlägsna planeter.

Jag är en astronom som studerar och skriver om kosmologi. Forskare har upptäckt mer än 5 600 exoplaneter under de senaste 30 åren och deras extraordinära mångfald fortsätter att förvåna astronomer.

Harmoni av sfärerna.

Den grekiske matematikern Pythagoras upptäckte principerna för musikalisk harmoni för 2 500 år sedan genom att analysera ljudet från smeders hammare och plockade strängar.

Han trodde att matematiken var i hjärtat av den naturliga världen och föreslog att solen, månen och planeterna gjorde unika brum baserat på deras omloppsegenskaper. Han trodde att denna “sfärernas musik” skulle vara omärklig för det mänskliga örat.


Orbital resonans, som ses i Jupiters månar, uppstår när planetkropparnas banor är i linje; Till exempel kretsar Io om Jupiter fyra gånger under den tid det tar Europa att kretsa två gånger och Ganymedes en gång. Kredit: WolfmanSF/Wikimedia Commons

För fyrahundra år sedan tog Johannes Kepler upp denna idé. Han föreslog att musikaliska intervaller och harmonier beskrev rörelserna hos de sex planeter som var kända vid den tiden.

För Kepler hade solsystemet två baser, Jupiter och Saturnus; en tenor, Mars; två långa, Venus och Jorden; och en sopran, Mercurio. Dessa roller speglade hur lång tid det tog varje planet att kretsa runt solen, lägre hastigheter för de yttre planeterna och högre hastigheter för de inre planeterna.

Han kallade boken han skrev om dessa matematiska förhållanden “Världens harmoni”. Även om dessa idéer har vissa likheter med begreppet orbital resonans, gör planeter faktiskt inte ljud, eftersom ljud inte kan resa genom rymdens vakuum.

orbital resonans

Resonans uppstår när planeter eller månar har omloppsperioder som är heltalsförhållanden. Omloppsperioden är den tid det tar för en planet att göra ett helt varv runt stjärnan. Så, till exempel, skulle två planeter som kretsar runt en stjärna vara i en 2:1-resonans när en planet tar dubbelt så lång tid som den andra för att kretsa runt stjärnan. Resonans ses i endast 5% av planetsystem.

I solsystemet befinner sig Neptunus och Pluto i en 3:2-resonans. Det finns också en trippelresonans, 4:2:1, mellan Jupiters tre månar: Ganymedes, Europa och Io. Under den tid det tar Ganymedes att kretsa runt Jupiter, kretsar Europa två gånger och Io kretsar fyra gånger. Resonanser uppstår naturligt när planeter har omloppsperioder som är förhållandet mellan heltal.

Musikintervall beskriver förhållandet mellan två musikaliska toner. I den musikaliska analogin är de viktiga musikaliska intervallen baserade på frekvensförhållanden den fjärde, 4:3, den femte, 3:2, och oktaven, 2:1. Alla som spelar gitarr eller piano kunde känna igen dessa intervaller.


Musikaliska intervaller kan användas för att skapa skalor och harmoni.

Orbitala resonanser kan förändra hur gravitationen påverkar två kroppar, vilket får dem att accelerera, bromsa in, stabilisera i sin omloppsbana och ibland störa deras banor.

Tänk på att skjuta ett barn på en gunga. Både en planet och en gunga har en naturlig frekvens. Ge barnet en knuff som matchar gungans rörelse så får han eller hon en boost. De kommer också att få en boost om du trycker på dem varannan gång de är i den positionen, eller var tredje gång. Men tryck på dem vid slumpmässiga tillfällen, ibland med gungans rörelse och ibland mot den, och de kommer inte att få någon boost.

För planeter kan momentum hålla dem att fortsätta på sina banor, men det är mycket mer sannolikt att störa deras banor.

exoplanetresonans

Exoplaneter, eller planeter utanför solsystemet, visar slående exempel på resonans, inte bara mellan två objekt utan också mellan resonans “kedjor” som involverar tre eller flera objekt.


Orbital resonans kan få planeter eller asteroider att accelerera eller börja vingla.

Stjärnan Gliese 876 har tre planeter med ett omloppsperiodförhållande på 4:2:1, liksom Jupiters tre månar. Kepler 223 har fyra planeter med förhållandet 8:6:4:3.

Den röda dvärgen Kepler 80 har fem planeter med förhållandena 9:6:4:3:2, och TOI 178 har sex planeter, varav fem är i en resonanskedja med förhållandena 18:9:6:4:3.

TRAPPIST-1 är rekordhållare. Den har sju jordliknande planeter, varav två kan vara beboeliga, med omloppsförhållanden på 24:15:9:6:4:3:2.

Det senaste exemplet på en resonanskedja är systemet HD 110067. Det är cirka 100 ljusår bort och har sex sub-Neptunusplaneter, en vanlig typ av exoplanet, med omloppsförhållanden på 54:36:24:16:12:9. Upptäckten är intressant eftersom de flesta resonanskedjor är instabila och försvinner med tiden.

Trots dessa exempel är resonanta kedjor sällsynta och endast 1% av alla planetsystem uppvisar dem. Astronomer tror att planeter bildas i resonans, men små gravitationsknuffar från passerande stjärnor och vandrande planeter raderar resonansen med tiden. Med HD 110067 har resonanskedjan överlevt i miljarder år, och erbjuder en unik och orörd bild av systemet som det var när det bildades.

Orbital sonifiering


Musik från planetbanor, skapad av astronomer från European Southern Observatory.

Astronomer använder en teknik som kallas sonifiering för att översätta komplexa visuella data till ljud. Det erbjuder människor ett annat sätt att uppskatta de vackra bilderna från rymdteleskopet Hubble och har tillämpats på röntgen- och gravitationsvågdata.

När det gäller exoplaneter kan sonifiering överföra de matematiska förhållandena i deras banor. Astronomer vid European Southern Observatory skapade vad de kallar “sfärmusik” för TOI 178-systemet genom att associera ett pentatoniskt ljud med var och en av de fem planeterna.

En liknande musikalisk översättning har utförts för TRAPPIST-1-systemet, med orbitalfrekvenserna ökade med en faktor 212 miljoner för att få dem till hörbart område.

Astronomer har också skapat en sonifiering för systemet HD 110067. Folk kanske inte är överens om huruvida dessa tolkningar låter som riktig musik, men det är inspirerande att se Pythagoras idéer förverkligas efter 2 500 år.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *