콴타 매거진

2023년 5월 16일

Quanta Magazine의 Harol Bustos

선임 작가

2023년 5월 16일

2009년에 파리 천문대의 천문학자 두 명이 놀라운 발견을 발표했습니다. 우리 태양계의 상세한 계산 모델을 구축한 후 그들은 수천 번의 수치 시뮬레이션을 실행하여 수십억 년 후의 행성 움직임을 예측했습니다. 1미터 미만의 범위에서 Mercury의 시작점을 변경한 대부분의 시뮬레이션에서 모든 것이 예상대로 진행되었습니다. 행성들은 계속해서 태양 주위를 돌며 인류 역사 전반에 걸쳐 거의 비슷하게 보였던 타원 모양의 궤도를 추적했습니다.

그러나 약 1%의 경우 상황이 문자 그대로 옆으로 흘러갔습니다. 수성의 궤도 모양이 크게 바뀌었습니다. 행성이 태양으로 급락하거나 금성과 충돌할 때까지 그것의 타원형 궤적은 점차적으로 평평해졌습니다. 때로는 우주를 통과하는 새로운 경로를 개척하면서 그 행동으로 인해 다른 행성도 불안정해졌습니다. 예를 들어 화성은 태양계에서 쫓겨나거나 지구에 충돌할 수 있습니다. 금성과 지구는 천천히 우주의 춤을 추며 여러 번 궤도를 교환하다가 결국 충돌할 수 있습니다.

아마도 태양계는 사람들이 한때 생각했던 것만큼 안정적이지 않았을 것입니다.

아이작 뉴턴이 운동과 중력의 법칙을 공식화한 이래로 수세기 동안 수학과 천문학자들은 이 문제를 놓고 씨름해 왔습니다. 태양이 가하는 중력만을 고려하는 가장 단순한 태양계 모델에서 행성은 시계처럼 영원히 타원 궤도를 따른다. 미네소타 대학의 수학자 Richard Moeckel은 "이것은 일종의 위안이 되는 그림입니다."라고 말했습니다. "그것은 영원히 계속될 것이고 우리는 오래 전에 사라질 것이지만 목성은 여전히 ​​돌아다닐 것입니다."

그러나 행성 자체 사이의 중력 인력을 설명하면 모든 것이 더욱 복잡해집니다. 더 이상 장기간에 걸쳐 행성의 위치와 속도를 명시적으로 계산할 수 없으며 대신 행성이 어떻게 행동할지에 대해 정성적인 질문을 해야 합니다. 행성의 상호 인력 효과가 축적되어 시계가 고장날 수도 있나요?

2009년 파리 천문대의 Jacques Laskar와 Mickaël Gastineau가 발표한 것과 같은 상세한 수치 시뮬레이션은 일이 잘못될 가능성은 작지만 실제 가능성이 있음을 시사합니다. 그러나 이러한 시뮬레이션은 중요하기는 하지만 수학적 증명과 동일하지는 않습니다. 완전히 정확할 수는 없으며 시뮬레이션 자체에서 알 수 있듯이 수십억 년 동안 시뮬레이션하는 동안 작은 부정확성이 매우 다른 결과를 초래할 수 있습니다. 게다가 특정 사건이 왜 전개될 수 있는지에 대한 근본적인 설명을 제공하지 않습니다. 바르셀로나 대학의 수학자 마르셀 구아디아(Marcel Guàrdia)는 “어떤 수학적 메커니즘이 불안정성을 유발하는지 이해하고 그것이 실제로 존재한다는 것을 증명하고 싶다”고 말했습니다.

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수학자 Marcel Guàrdia(왼쪽)와 Jacques Fejoz는 모델 태양계에서 불안정성이 발생할 수 있다는 증거를 찾기 위해 수년간 협력해 왔습니다.

제시카 마세티

이제 합쳐서 150페이지가 넘는 세 개의 논문에서 Guàrdia와 두 명의 공동 작업자는 태양을 공전하는 행성 모델에서 불안정성이 필연적으로 발생한다는 것을 처음으로 증명했습니다.

이탈리아 파도바 대학의 수리물리학자 가브리엘라 핀자리(Gabriella Pinzari)는 "결과는 정말 놀랍다"고 말했습니다. "저자들은 증명할 수 있는 가장 아름다운 정리 중 하나인 정리를 증명했습니다." 또한 우리 태양계가 왜 그렇게 보이는지 설명하는 데 도움이 될 수도 있습니다.

수세기 전에도 행성 간의 상호 작용이 장기적인 영향을 미칠 수 있다는 것이 이미 분명해졌습니다. 수성을 고려해보세요. 타원 경로로 태양 주위를 여행하는 데 약 3개월이 걸립니다. 하지만 그 경로도 천천히 회전합니다. 600년마다 1도, 200,000년마다 완전히 회전합니다. 세차 운동으로 알려진 이러한 종류의 회전은 주로 금성, 지구, 목성이 수성을 끌어당기는 결과입니다.