Problém tří těles je fyzikální hlavolam, který nedá vědcům spát již od dob Isaaca Newtona. Zatímco problém dvou těles se podařilo jmenovanému fyzikovi společně s Johannesem Keplerem vyřešit, tři tělesa zůstávají tvrdým oříškem dodnes. Proč tomu tak je a lze vůbec řešení problému tří těles najít?
Třetí těleso vnáší do vzájemného obíhání chaos
Nejdříve si pojďme říct, co to problém tří těles vlastně je. Jde o systém obsahující tři tělesa, která na sebe vzájemně působí gravitační silou. Kdybychom si vzali problém dvou těles – typicky tedy planetu a hvězdu – bude výpočet toho, jak se kolem sebe budou pohybovat, poměrně jednoduchý. Většinu času se totiž budou tyto dva objekty obíhat zhruba po kruhu kolem svého středu hmoty a pokaždé se pak vrátí na místo, na kterém začaly. Jakmile se však přidá třetí těleso, věci se zkomplikují.
Třetí těleso přitahuje obě oběžné dráhy dalších dvou těles a vytahuje je tak z předvídatelných drah. Pohyb tří těles závisí na jejich výchozím stavu – na polohách, rychlostech a také hmotnostech. Pokud se byť jen trochu jedna z těchto proměnných změní, výsledný pohyb bude úplně jiný. Matematik Shane Ross to přirovnává k chůzi po horském hřebeni. Stačila by jen nepatrná změna a mohli byste spadnout buď doleva, nebo doprava. To jsou dvě velmi blízké výchozí pozice, které ale mohou vést k velmi odlišným výsledkům.
Výpočty musí provádět superpočítače
Pokud jde o pohyb meteoritů, hvězd, planet a černých děr, je výpočet pohybu tří těles neuvěřitelně obtížný. To obrovské množství proměnných, které se s problémem pojí, totiž nelze definovat matematickými rovnicemi. Dlouho se nevědělo, zda je celý problém vůbec řešitelný. Dnes už víme že ano – je to ale velmi náročné.
Ve skutečnosti existuje řada způsobů, jak problém tří těles vyřešit. Například v roce 2017 výzkumníci z Číny objevili 1223 řešení testováním 16 milionů oběžných drah pomocí superpočítače. Po rozšíření tohoto algoritmu bylo objeveno dalších 12 000 možných řešení. Všechny tyto výpočty jsou ale tak náročné, že by se bez pomoci superpočítačů zřejmě neobešly. Vědci spoléhají na to, že ještě výkonnější superpočítače v budoucnosti pomohou objevit ještě více řešení problému tří těles.
Systém tří těles končí často srážkou, nebo vymrštěním jednoho tělesa
Určité podmínky však mohou analýzu pohybu tří těles usnadnit. Například za vhodných výchozích podmínek, kdy je hmotnost všech tří těles stejná, se mohou objekty navzájem pronásledovat ve tvaru osmičky. Nicméně takto uhlazené případy pohybu jsou ve vesmíru spíše výjimkou.
Dalším příkladem s poměrně jednoduchým řešením jsou dvě hvězdy a planeta, která je proti nim zanedbatelně malá. Přestože se jedná také o systém tří těles, planeta ve skutečnosti na hvězdy nepůsobí žádnou velkou silou, protože je mnohem méně hmotná. Planeta pak může obíhat obě hvězdy současně a systém se tak stává podobným spíše problému dvou těles.
Často se stává také to, že se dráhy tří těles nikdy nestabilizují. Místo toho dojde ke srážce dvou z nich, nebo k vymrštění jednoho tělesa ze systému. Právě toto vymršťování by mohlo být zdrojem tzv. toulavých planet, což jsou planety, které neobíhají kolem žádné hvězdy. Ve skutečnosti může být chaos v systémech tří těles tak běžný, že vědci předpokládají, že v naší galaxii může být až dvacetkrát více toulavých planet, než je hvězd.
Další zdroje: livescience.com
