Forsker finder ”øer” af orden i Three-Body-problemets berømte kaos
Når tre tunge objekter mødes i verdensrummet, påvirker de hinanden med tyngdekraften på måder, der udvikler sig ganske uforudsigeligt. Med ét ord: Kaos. Sådan lyder læresætningen, men nu har en forsker fra Københavns Universitet opdaget, at sådanne møder ofte undgår kaos, og i stedet udvikler sig regelmæssigt, så et af objekterne hurtigt kastes ud af systemet. Den nye viden kan blive afgørende for vores forståelse af tyngdebølger og meget andet i universet.
Det meste populære show på Netflix i øjeblikket er Science Fiction serien Three Body Problem, baseret på en kinesisk bog af samme navn. Den historie rummer et væld af karakterer, tidsaldre og sågar gæster fra det ydre rum, men den altoverskyggende præmis for historien er et stjernesystem, hvor 3 stjerner kredser om hinanden.
Et sådant system med tre objekter, der påvirker hinandens tyngdekraft, har fascineret forskere siden tyngdekraftens fader, Isaac Newton, for første gang beskrev det. Hvor to objekter, der mødes et sted i rummet, har et forudsigeligt forløb, så vil et tredje tungt objekt gøre mødet mellem de tre kaotisk.
”Three-body-problem er et af de mest berømte uløselige problemer i matematikken og den teoretiske fysik. Teorien siger, at når tre objekter mødes, så vil deres interaktion udvikle sig kaotisk, uden regelmæssighed, og samtidigt helt løsrevet sig fra udgangspunktet. Men vores millioner af simulationer viser, at der er huller i det kaos – eller øer af regelmæssighed, som er direkte afhængige af, hvordan de tre objekter er placeret i forhold til hinanden, når de mødes, og den hastighed og vinkel, de gør det ved,” forklarer Alessandro Trani fra Niels Bohr Instituttet.
Han håber, at opdagelsen baner vejen for bedre modeller i astrofysikken, Three Body Problem er nemlig ikke bare en teoretisk udfordring. Tre objekter, der mødes, er noget, der sker hele tiden i universet, og noget, som er afgørende for forskerne at forstå.
”Hvis vi skal forstå bølger af tyngdekraft, som strømmer fra sorte huller og andre tunge objekter i rummet i bevægelse, så er interaktioner mellem sorte huller, der mødes og smelter sammen, helt afgørende. Især når tre af dem mødes, er der store kræfter i spil. Derfor kan vores forståelse af sådanne møder være en nøgle til at forstå fænomener som gravitationsbølger, tyngdekraften selv, og mange andre af universets mysterier helt grundlæggende,” siger forskeren.
En tsunami af simulationer
For at undersøge fænomenet, kodede Trani sit eget software program, Tsunami, der er i stand til at regne på astrologiske objekters bevægelser ud fra den viden, vi har om naturlovene – fx Newtons tyngdekraft og Einsteins relativitetsteori. Dernæst satte han det i gang med at udføre millioner af simulationer af tre objekters møde inden for nogle opsatte rammer.
Udgangspunktet for simulationerne var placeringen af to af objekterne i deres fælles kredsløb – dvs. deres fase i en 360 graders akse. Dertil indgangsvinklen af det tredje objekt – med 90 graders variation.
De millioner simulationer var således spredt ud over de forskellige indstillinger, der var mulige i den opsætning. Og resultaterne kan således tilsammen danne et groft kort over alle tænkelige udfald, som i et kæmpe mønstret tæppe vævet af trådene fra de indledende konfigurationer.
Det er her, øerne af regelmæssighed viser sig.
Farverne repræsenterer det objekt, der før eller siden kastes ud af systemet efter mødet. I de fleste tilfælde er dette objektet med den laveste masse.
”Hvis three-body problemet var ren kaos, ville vi kun se en kaotisk blanding prikker, hvor alle tre udfald smelter sammen uden nogen genkendelig orden. I stedet dukker der regelmæssige "øer" op fra dette kaotiske hav, hvor systemet opfører sig forudsigeligt, hvilket fører til ensartede udfald—og derfor ensartede farver,” forklarer Alessandro Trani.
To skridt frem, et tilbage
Opdagelsen lover store perspektiver for at forstå det ellers umulige fænomen, men i første omgang giver den forskerne en udfordring. Ren kaos ved man nemlig, hvordan man regner på ved hjælp af statistiske regnemetoder, men når det kaos brydes op af regelmæssigheder, bliver det mere kompliceret.
”Når der pludselig er områder i det her kort over mulige udfald, der er bestemt af regelmæssighed, så forstyrrer det beregningerne af statistisk sandsynlighed. Og så bliver forudsigelserne upræcise. Så nu er vores udfordring, at lære, hvordan man blander de statistiske metoder med det, der hedder numeriske beregninger, som giver høj præcision, når systemer opfører sig regelmæssigt,” siger Alessandro Trani.
”Mine resultater har på den måde slået os tilbage til start, men giver samtidigt håb om et helt andet niveau af forståelse på sigt,” siger han.
*
Ekstra info: 4 Body Problem
Alessandro Trani startede under pandemien et sideprojekt, der skulle undersøge fractal universer i Three Body Problemet. Det var her, han kom på ideen om at kortlægge udfald på udkig efter regelmæssigheder.
Det berømte problem kendte han fra sine studier, men fiktionsværkerne – den aktuelle Netflix-serie og romanen bag: “The Three-Body Problem” af Liu Cixin - har han ikke været igennem. Alligevel har han af nysgerrighed sat sig så meget ind i handlingen, at han kan konkludere, at der faktisk er tale om et ”Four-Body-Problem”.
”Der er, som jeg forstår det, tale om et stjernesystem med 3 stjerner og én planet, der jævnligt kastes ud i kaotiske udviklinger. Sådan et system er faktisk bedst defineret som et Four-Body-Problem. Uanset hvordan man definerer det, så er det mest sandsynlige udfald dog, ifølge mine simulationer, at planeten ret hurtigt ville gå til grunde i en af de tre stjerner. Og så det ville det jo ret hurtigt blive et Three-Body-Problem, ” ler forskeren.
Om studiet: forskerne bag
Følgende forskere har bidraget til projektet:
Alessandro Alberto Trani
Niels Bohr International Academy ved Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet
Research Center for the Early Universe, University of Tokyo
Okinawa Institute of Science and Technology
Nathan W. C. Leigh
Departamento de Astronomía, Universidad de Concepción, Chile
Department of Astrophysics, American Museum of Natural History, New York
Tjarda C. N. Boekholt
NASA Ames Research Center, USA
Simon Portegies Zwart
Leiden Observatory, Leiden University
Nøgleord
Kontakter
Alessandro Alberto TraniPostdocNiels Bohr Institutet, Københavns Universitet
Tlf:35328462alessandro.trani@nbi.ku.dkKristian Bjørn-HansenJournalist og pressekontaktDet Natur- og Biovidenskabelige Fakultet, Københavns Universitet
Tlf:93 51 60 02kbh@science.ku.dkBilleder
Links
Om Det Natur- og Biovidenskabelige Fakultet
Det Natur- og Biovidenskabelige Fakultet på Københavns Universitet – SCIENCE – er landets største naturvidenskabelige forsknings- og uddannelsesinstitution.
Fakultetets væsentligste opgave er at bidrage til løsning af de store udfordringer, som vi står overfor i en verden under hastig forandring med øget pres på bl.a. naturressourcer og markante klimaforandringer - både nationalt og globalt.
Følg pressemeddelelser fra Københavns Universitet - Det Natur- og Biovidenskabelige Fakultet
Skriv dig op her, og modtag pressemeddelelser på e-mail. Indtast din e-mail, klik på abonner, og følg instruktionerne i den udsendte e-mail.
Flere pressemeddelelser fra Københavns Universitet - Det Natur- og Biovidenskabelige Fakultet
"Islands" of Regularity Discovered in the Famously Chaotic Three-Body Problem10.10.2024 15:42:57 CEST | Press release
When three massive objects meet in space, they influence each other through gravity in ways that evolve unpredictably. In a word: Chaos. That is the conventional understanding. Now, a researcher from the University of Copenhagen has discovered that such encounters often avoid chaos and instead follow regular patterns, where one of the objects is expelled quickly from the system. This new insight may prove vital for our understanding of gravitational waves and many other aspects of the universe.
Quantum researchers come up with a recipe that could accelerate drug development3.10.2024 09:50:13 CEST | Press release
University of Copenhagen mathematicians have developed a recipe for upgrading quantum computers to simulate complex quantum systems, such as molecules. Their discovery brings us closer to being able to predict how new drugs will behave within our bodies and has the potential to revolutionize pharmaceutical development.
Kvanteforskere har fundet opskriften, som kan bane vej for hurtigere udvikling af ny medicin3.10.2024 07:32:54 CEST | Pressemeddelelse
Matematikere fra Københavns Universitet har nu fundet opskriften til, hvordan man opgraderer kvantecomputere til at kunne simulere komplekse kvantesystemer som for eksempel molekyler. Dermed nærmer vi os muligheden for at kunne forudsige, hvordan nye lægemidler vil opføre sig i vores kroppe, og det kan potentielt revolutionere udviklingen af medicin.
Personlig og passioneret samfundsforsker bliver årets underviser1.10.2024 11:21:13 CEST | Pressemeddelelse
Årets Underviser: Hun er kendt for at skabe et åbent og inkluderende læringsrum og hendes engagement og personlige stil, tager de studerende med storm. Lektor Rebecca Leigh Rutt fra Institut for Fødevare- og Ressourceøkonomi får prisen som årets underviser på SCIENCE.
Langtidssyge med Covid-19 sparer på kræfterne med et ”hack” af deres fitness-ure27.9.2024 08:36:57 CEST | Pressemeddelelse
Da syge med senfølger fra Covid-19 i begyndelsen af pandemien mødte flere spørgsmål end svar hos lægen, begyndte de at måle på sig selv med fitness-ure, for at forstå deres sygdom. Forsker Sarah Homewood fra Københavns Universitet var en af dem, og har siden selv forsket i fænomenet. Selvmonitoreringen kan give mennesker mere vished og kontrol over sygdom og egen krop, men også medføre angst, viser hendes forskning.
I vores nyhedsrum kan du læse alle vores pressemeddelelser, tilgå materiale i form af billeder og dokumenter samt finde vores kontaktoplysninger.
Besøg vores nyhedsrum