Новое решение задачи трёх тел обнадежило и удивило астрономов

Милован Шуваков (Milovan Šuvakov) и Велько Дмитрашинович (Veljko Dmitrašinović) из Института физики (Белград, Сербия) представили нечто удивительное — тринадцать (!) новых семейств частных решений задачи трёх тел. Чтобы читатель точнее оценил масштаб содеянного, напомним, что задача трёх тел возникла в XVII веке, когда Исаак Ньютон попробовал применить свою теорию всемирного тяготения к реальным небесным телам и получил очень неприятную картину. Если система двух тел (типа Земля — Луна), что называется, «вытанцовывалась» и могла быть устойчивой, то включение в неё Солнца не приводило к решению, которое позволяло бы этой системе существовать долго.

Ряд классических (слева) решений проблемы трёх тел и, для сравнения, одно из новых решений сербских исследователей (справа) (здесь и ниже илл. Milovan Šuvakov, Veljko Dmitrašinović).

Ньютон, натурально, был несколько озадачен: наличие и Солнца, и Луны на небе Земли показывало, что решение всё-таки существует, вот только найти его, несмотря на незаурядные умственные способности, великому учёному так и не удалось. Уже в XIX–XX веках было показано, что задача, вообще говоря, в общем виде не решается, а возможны лишь частные решения для тех или иных начальных условий (то есть какого-то определённого взаимного расположения и скоростей тел). И только тогда система трёх тел будет сохраняться, а каждое из тел — возвращаться в одни и те же точки, без чего устойчивая система вроде бы невозможна.

Ещё до этого, в XVIII веке, было найдено пять таких частных решений, сейчас объединяемых в семейство Эйлера — Лагранжа. В прошлом столетии даже при помощи искусственных вычислительных мощностей удалось ввести лишь два новых семейства частных решений.

И вот сербы предложили сразу тринадцать новых семейств решений, то есть намного больше, чем их удалось найти за предыдущие три с четвертью века. Как? Исследователи заявляют, что это получилось непреднамеренно. Они взяли существующие частные решения и ввели их в компьютерную симуляцию. А затем слегка изменяли начальные условия до тех пор, пока не поучили новый тип орбит для системы трёх тел.

«То, что мы делали, — это самое бесхитростное решение, которое только можно представить, — поясняет Велько Дмитрашинович. — Мы были шокированы, когда обнаружили все эти вещи [новые семейства решений], и были ещё больше шокированы, когда выяснилось, что до нас их никто не нашёл».

Новые решения проблемы трёх тел, представленных как орбиты реального вида.

Сейчас авторы работы изучают, насколько устойчивы такие орбиты к колебаниям — воздействиям, часто случайным, сторонних тел. Если новые семейства покажут, что основанные на них орбиты устойчивы, учёные планируют осуществить их поиск в реальной жизни, сначала на примере тел Солнечной системы, а в перспективе — и на экзопланетах.

Сегодня считается, что в реальной астрономии наблюдается только один пример устойчивой системы трёх тел — система Солнце — Юпитер — троянский астероид. Если устойчивость решений будет подтверждена, этот список может значительно пополниться.

Отчёт об исследовании принят к публикации в журнале Physical Review Letters, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.