‘Islas’ de regularidad descubiertas en el famoso y caótico problema de los tres cuerpos

Las series más populares de Netflix en este momento son las series de ciencia ficción 3-Problemas físicos. Basada en una serie de novelas chinas de Liu Cixin, la serie involucra una colección de personajes, períodos de tiempo e incluso visitantes extraterrestres. Pero la premisa central está relacionada con un sistema estelar donde tres estrellas gravitan una alrededor de la otra.

Un sistema en el que tres objetos influyen mutuamente en la gravitación, el “padre de la gravedad”, ha fascinado a los científicos desde que Isaac Newton lo describió por primera vez. Si bien las interacciones entre dos objetos que se encuentran en el espacio son predecibles, la introducción de un tercer objeto masivo hace que el encuentro triádico no sólo sea complicado, sino también caótico.

“El problema de los tres cuerpos es uno de los problemas sin resolver más famosos de las matemáticas y la física teórica. La teoría afirma que cuando tres objetos se encuentran, sus interacciones son caóticas, sin regularidad y completamente desconectadas del punto de partida. Pero nuestros millones de simulaciones “Muestra que hay lagunas en el caos, ‘islas de regularidad’, que dependen directamente de cómo se posicionan los tres objetos entre sí cuando se encuentran, así como de su movimiento y ángulo de visión”, explica Alessandro Alberto. Trani del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague.

Trani espera que el descubrimiento allane el camino para mejorar los modelos astrofísicos, ya que el problema de los tres cuerpos no es sólo un desafío teórico. Encontrar tres objetos en el universo es un fenómeno común y su realización es muy importante.

“Si queremos comprender las ondas gravitacionales que emiten los agujeros negros y otros objetos masivos en movimiento, las interacciones de los agujeros negros cuando se encuentran y se fusionan son esenciales. Están en juego fuerzas inmensas, especialmente cuando tres de ellos se encuentran. Entonces, “Nuestra comprensión del tipo de encuentro puede ser clave para comprender fenómenos como las ondas gravitacionales, la gravedad misma y muchos otros misterios fundamentales del universo”, afirmó el investigador.

un tsunami de simulación

Para investigar el fenómeno, Trani codificó su propio programa de software, el tsunamique puede calcular el movimiento de objetos astronómicos basándose en nuestro conocimiento de las leyes de la naturaleza como la gravitación de Newton y la relatividad general de Einstein. Trani lo configuró para ejecutar millones de simulaciones de encuentros de tres cuerpos dentro de ciertos parámetros específicos.

Los principales parámetros de la simulación fueron las posiciones de los dos objetos en sus órbitas relativas, es decir, sus fases a lo largo de un eje de 360 ​​grados. Luego, el ángulo de visión del tercer objeto cambia en – 90 grados.

Se realizaron millones de simulaciones en las distintas combinaciones posibles dentro de este marco. En general, los resultados forman un mapa aproximado de todos los resultados concebibles, como un vasto tapiz tejido con los hilos de la configuración inicial. Aquí es donde aparece la isla de la regularidad.

Los colores representan el material que finalmente sale del sistema después del encuentro. En la mayoría de los casos, es el objeto con menor masa.

“Si el problema de los tres cuerpos fuera completamente caótico, sólo veríamos una mezcla caótica de puntos indistinguibles, los tres resultados mezclados sin ningún orden claro. En cambio, de este mar caótico emergen “islas” regulares, donde el sistema se comporta de manera predecible. , uniformemente, lo que conduce a resultados y, por tanto, a colores uniformes”, explica Trani.

Dos pasos adelante, un paso atrás

Este descubrimiento es muy prometedor para una comprensión más profunda de un fenómeno que de otro modo sería imposible. Sin embargo, a corto plazo esto representa un desafío para los investigadores. El caos puro es algo que ya saben calcular utilizando métodos estadísticos, pero cuando el caos se ve interrumpido por la regularidad, los cálculos se vuelven más complicados.

“Cuando alguna región de este mapa de posibles resultados de repente se vuelve regular, deja de calcular probabilidades estadísticas, lo que lleva a predicciones incorrectas. Nuestro desafío ahora es aprender a combinar métodos estadísticos con los llamados cálculos numéricos, que proporcionan una alta precisión. El sistema se comporta con regularidad”, afirma Alessandro Alberto Trani.

“En ese sentido, mis resultados nos devuelven al punto de partida, pero al mismo tiempo ofrecen la esperanza de un nivel completamente nuevo de comprensión a largo plazo”, afirma.

* Información adicional: 4-Problemas físicos

Durante la pandemia, Alessandro Alberto Trani inició un proyecto paralelo para investigar universos fractales dentro del problema de los tres cuerpos. Fue entonces cuando se le ocurrió la idea de mapear los resultados en busca de regularidades.

Conocía el famoso problema por sus estudios, pero no por las obras de ficción: el reciente programa de Netflix o la novela detrás de él: “El problema de los tres cuerpos” de Liu Cixin. Sin embargo, por curiosidad, se familiarizó lo suficiente con la trama como para concluir que en realidad se trata de un “problema de los 4 cuerpos”.

“Según tengo entendido, se trata de un sistema estelar con tres estrellas y un planeta, regularmente arrojados a una evolución caótica. Un sistema así se define mejor como un problema de cuatro cuerpos. Como sea que lo definas, según mis simulaciones, lo más Lo más probable es que el planeta sea destruido rápidamente por una de las tres estrellas, por lo que pronto se convertirá en un problema de tres cuerpos”, ríe el investigador.