Meine Geschichte spielt also im TRAPPIST-1-System und ein Schurkenplanet betritt das System. Als es noch weit weg ist, entdeckt ein Wissenschaftler, dass eine der Zahlen leicht daneben liegt. (Sie hat einige Tabellen, die vorhersagen, wo sich die Planeten befinden werden, da das gesamte System eine periodische Lösung des n-Körper-Problems ist.) Ich dachte mir, dass die Auswirkungen davon in einem so kleinen System insgesamt viel extremer sein würden Die Planetenkörper sind so nah beieinander, anstatt in unserem Sonnensystem, wo ein Planet einfach passieren könnte, ohne viel Schaden anzurichten. Was würde also passieren, wenn es nur ein kleines bisschen aus dem Gleichgewicht geraten würde?
Die Sache mit Planetensystemen - und vielen -Körpersysteme im Allgemeinen - ist, dass sie grundsätzlich chaotisch sind . Das heißt, kleine Änderungen nehmen mit der Zeit zu und führen schließlich zu völlig unterschiedlichen Ergebnissen. Eine Möglichkeit, dies zu quantifizieren, ist der Lyapunov-Exponent und die Lyapunov-Zeit , , was uns eine Vorstellung davon gibt, wie schnell kleine Änderungen wachsen. Für das Sonnensystem, Millionen Jahren ( Laskar 1989 ), was auf planetarischen Zeitskalen klein ist, und so werden kleine Störungen auf Zeitskalen von mehreren Millionen Jahren signifikant. Dies macht das Studium – und sogar die Überprüfung – der Stabilität des Sonnensystems zu einem schwierigen Studiengebiet.
Das TRAPPIST-1-System ist dicht, wobei alle sieben Planeten innerhalb von etwa 0,06 AE von ihrem Mutterstern entfernt sind ( Gillon et al. 2017 ). Wie kann eine solche Anordnung so lange stabil bleiben? Die Antwort sind Resonanzen , bei denen die Umlaufzeiten der Planeten durch Verhältnisse von (in diesem Fall kleinen) ganzen Zahlen in Beziehung stehen. Die sieben Planeten geraten miteinander in Nahresonanzen, die für Stabilität sorgen, hervorgerufen durch Migration durch die protoplanetare Scheibe ( Tamayo et al. 2017 ). Nun hat sich herausgestellt, dass ein breites Spektrum an Anfangsbedingungen um die Zeit der Planetenentstehung herum zu Resonanzen im System führt, aber eine Abweichung von diesen Resonanzen kann leicht zu Instabilitäten führen. Wie Gillon et al. schrieb über ihre Simulationen,
Wir untersuchten die langfristige Entwicklung des TRAPPIST-1-Systems unter Verwendung von zwei N-Körper-Integrationspaketen: Mercury und WHFAST. Wir gingen von der in Tabelle 1 produzierten orbitalen Lösung aus und integrierten über 0,5 Myr. Dies entspricht ungefähr 100 Millionen Umlaufbahnen für Planet b. Wir wiederholten dieses Verfahren, indem wir eine Reihe von Lösungen innerhalb der 1- Intervalle des Vertrauens. Die meisten Integrationen führten zu einer Unterbrechung des Systems in einem Zeitrahmen von 0,5 Mio. USD.
Wir entschieden uns dann, eine statistische Methode anzuwenden, die die Wahrscheinlichkeit dafür liefert, dass ein System für einen bestimmten Zeitraum stabil ist, basierend auf den gegenseitigen Abständen der Planeten. Unter Verwendung der Massen und großen Halbachsen in Tabelle 1 berechneten wir die Abstände zwischen allen benachbarten Planetenpaaren in Einheiten ihrer gegenseitigen Hügelkugeln. Wir fanden eine durchschnittliche Trennung von 10,5 1.9 (ohne Planet h), wobei die Unsicherheit der Effektivwert der sechs gegenseitigen Abstände ist. Wir haben berechnet, dass TRAPPIST-1 eine Wahrscheinlichkeit von 25 % hat, eine Instabilität über 1 Myr zu erleiden, und eine Wahrscheinlichkeit von 8,1 %, über 1 Gyr zu überleben, in Übereinstimmung mit unseren N-Körper-Integrationen.
Beobachtungen zeigten, dass sich die Anordnung des Systems nicht wesentlich ändern kann, ohne die Wahrscheinlichkeit einer katastrophalen Instabilität drastisch zu erhöhen. Ich bin ziemlich pessimistisch, was die Überlebenschancen des Systems bei den meisten engen Begegnungen betrifft, obwohl es vielleicht eine Grenze gibt, die gezogen werden muss. Zum Beispiel ein Objekt, an dem die Masse des Merkur vorbeizieht 1000 AE würden bessere Stabilitätschancen bieten als ein Objekt, an dem die Masse des Jupiter vorbeizieht 1 AU.