Der Physik-Nobelpreisträger Richard Feynman zeigte in seinem berühmten Physik-Grundkurs vom ersten Studienjahr an, wie man mit elementaren numerischen Rechenmitteln bereits auf einfachen Computern seit Anfang der 1960er Jahre die Bewegungen von N-Material beschreiben und vorhersagen konnte Punkte, die Planeten modellieren, die sich unter der Wirkung universeller Anziehung bewegen. Dies ist typischerweise ein sogenanntes Vielteilchenproblem, das bekanntermaßen sehr schwierig analytisch zu lösen ist, sei es mit Planeten, Sternen in einer Galaxie oder Elektronengas in einem Festkörper.

Tatsächlich gibt es eine ganze Theorie, die hauptsächlich aus den Werken von Lagrange, Laplace, Gauss, aber auch von Hamilton, Siméon Denis Poisson und Sophus Lie (alles Mathematiker) aus dem 18. bis 19. Jahrhundert besteht und die es ermöglicht, analytisch zu rechnen und numerisch bis zu einem bestimmten Punkt die Bewegungen von mindestens drei Körpern, nicht punktförmig, in der Himmelsmechanik. Moderne Formen dieser Theorie, mit Korrekturen aus Einsteins Gravitationstheorie und der Einführung sogenannter nicht-newtonscher Terme in die Gleichungen, werden verwendet, um insbesondere die Entstehung und Entwicklung des Sonnensystems, aber auch exoplanetarer Systeme zu verstehen.

Wir können uns ein Bild von all diesen Theorien machen, die seit mehr als zwei Jahrhunderten entwickelt wurden, mit bekannten Werken wie denen von Goldstein (ein großer Klassiker der Mechanik, der Werkzeuge zum Verständnis der Quanten- und relativistischen Mechanik als Bonus gibt) und Fitzpatrick.

Sie hatten es nicht nur Leverrier ermöglicht, Neptun aufgrund seines Einflusses auf die Bewegungen des Uranus zu entdecken, sondern auch Milutin Milankovitch, serbischer Mathematiker, Geophysiker, Astronom und Klimatologe, den Ursprung der Eiszyklen zu entdecken, wie er durch die geologischen Archive belegt ist das Quartär unseres Blauen Planeten.

Von Milankovitch zur Exobiologie

Wir wissen von Kepler, dass die Bahnen der Planeten des Sonnensystems mehr oder weniger exzentrische Ellipsen sind, manchmal sehr nahe an einem Kreis oder im Gegenteil sehr langgestreckt wie bei anderen Himmelskörpern auf periodischen Bahnen, bestimmten Kometen. Tatsächlich gibt es mehrere Parameter, die verwendet werden, um die Bewegungen der Erde zu charakterisieren, nicht nur die Werte der großen Halbachse und die Exzentrizität der Erdbahn, sondern auch die Neigung ihrer Achse in Bezug auf ihre Bahnebene. um die Sonne.

Diese Parameter spielen mit dem Sonnenlicht auf der Erdoberfläche, der Energie, die es von der Sonne erhält, und damit letztendlich mit der Existenz der Jahreszeiten und wie gesagt der Eiszyklen (siehe Video oben) . Milutin Milankovitch zeigte, dass diese zunächst auf periodische Änderungen der Exzentrizität der Erdbahn und der Schiefe ihrer Rotationsachse zurückzuführen sind.

Er zeigte, dass sie die Folge der Anziehungskraft der anderen Planeten des Sonnensystems sind, insbesondere Jupiter und Saturn wegen ihrer großen Masse, aber auch Venus oder Mars wegen ihrer Nähe. Da Exzentrizität und Schiefe die Sonneneinstrahlung und die Jahreszeiten auf der Erde bestimmen, verändern diese Veränderungen das Klima und beeinflussen die Bewohnbarkeit der Erde, also ihre Fähigkeit, auf lange Sicht flüssiges Wasser zu halten.

Wir wissen, dass die Frage der Bewohnbarkeit tatsächlich eine komplexe Frage ist, weil es auch notwendig ist, die Existenz einer Atmosphäre zu berücksichtigen, die einen Treibhauseffekt erzeugen kann, der einen Planeten auch a priori zu kalt machen kann, weil er zu weit von seiner Sonne entfernt ist schließlich einladend für das Leben, indem es seine Durchschnittstemperatur erhöht oder es im Gegenteil in eine venusische Hölle verwandelt.

Dennoch ist es sowohl für die langfristige Entwicklung der Bewohnbarkeit der Erde als auch bestimmter Exoplaneten möglicherweise nützlich, den Einfluss von Gravitationsstörungen auf die Orbital- und Rotationsparameter der Erde oder anderer Exoplaneten zu untersuchen, um die Vergangenheit und Gegenwart zu spezifizieren oder zukünftige Bewohnbarkeit der letzteren.

Die Zukunft des Sonnensystems?

Eine Gruppe amerikanischer und australischer Astronomen hat sich erneut mit diesen Fragen befasst, indem sie komplexe N-Körper-Berechnungen durchgeführt und die allgemeine Relativitätstheorie berücksichtigt haben, in der sie die Exzentrizität von Jupiters Umlaufbahn, aber nicht den Wert seiner großen Halbachse variiert haben, was eine Schätzung von Jupiters Entfernung von der Sonne.

„Wenn die Position des Jupiter gleich bliebe, aber die Form seiner Umlaufbahn sich veränderte, könnte dies die Bewohnbarkeit dieses Planeten tatsächlich erhöhen“, fasst die Astronomin Pam Vervoort, Hauptautorin der Studie und in Position an der Universität von, in einem Satz zusammen Riverside in Kalifornien.

In der Pressemitteilung dieser Universität heißt es, dass „viele davon überzeugt sind, dass die Erde die Verkörperung eines bewohnbaren Planeten ist und dass jede Änderung der Umlaufbahn des Jupiter, der ein massiver Planet ist, nur schlecht für die Erde sein könnte . Wir zeigen, dass beide Hypothesen falsch sind.

Die neuen Berechnungen der Forscher zeigen, dass sich die Exzentrizität der Erdumlaufbahn ändern würde, sodass es im Durchschnitt etwas wärmer wäre und die Polarregionen entsprechend weniger Eisbedeckung hätten, was ihrer Meinung nach die Bewohnbarkeit unseres Blauen erhöhen würde Planet.

Hätte Jupiter dagegen neben einer exzentrischeren Umlaufbahn eine kürzere große Halbachse, dann würde sich die Schiefe der Erde ändern, also die Neigung ihrer Rotationsachse relativ zu ihr die seiner Bahnebene, was zu einer stärkeren Neigung und größeren eisbedeckten Regionen führen würde.

Die Erde wäre noch bewohnbarer, wenn Jupiter eine etwas andere Umlaufbahn hätte

Die Erde, der einzige Planet im Universum, von dem wir wissen, dass er Leben unterstützen kann, könnte noch bewohnbarer werden, wenn Jupiter seine Umlaufbahn ein wenig ändert. Tatsächlich würde es ausreichen, dass der Gasriese des Sonnensystems eine exzentrischere (also ovalere) Umlaufbahn annimmt als die derzeitige, die praktisch kreisförmig ist, um die der Erde exzentrischer zu machen. Diese Modifikation würde Gebiete des Planeten erhitzen, die jetzt unter Null liegen, und das Ausmaß des Territoriums vergrößern, das von Lebensformen besetzt werden kann. Der Begriff bewohnbar deckt sich offensichtlich nicht mit dem von „angenehm“ und „lebenswert“ für uns und viele andere Arten, da die durch den Klimawandel katalysierte Erwärmung der Erde potenziell katastrophale Probleme für unsere Gesundheit und unser ökologisches Gleichgewicht verursacht.

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung amerikanischer Wissenschaftler der University of California, Riverside, die eng mit australischen Kollegen des Center for Astrophysics der University of Southern Queensland zusammenarbeiteten, stellte fest, dass eine geringfügige Änderung der Umlaufbahn des Jupiter die Erde bewohnbarer machen würde. das Australian Centre for Astrobiology an der University of New South Wales (UNSW) in Sydney. Die Forscher, koordiniert von Professor Pam Vervoort, Professorin am Department of Earth and Planetary Sciences an der University of California, kamen zu ihren Schlussfolgerungen, nachdem sie verschiedene Simulationen mit einem alternativen Modell des Sonnensystems durchgeführt hatten, dessen Jupiterumlaufbahnen sich von der aktuellen unterscheiden . . Der Gasriese hat eine Masse, die 2,5-mal größer ist als die Summe der Massen aller anderen Planeten im System, also hat er einen signifikanten Gravitationseinfluss auf ihre Umlaufbahnen.

Basierend auf verschiedenen Berechnungen zeigten die Forscher, dass eine Annäherung des Jupiter an die Sonne die Erde in Bezug auf die Bewohnbarkeit negativ beeinflussen würde, da dies die Neigung der Erdachse, den Hauptfaktor der Saisonalität, verändern würde. Einfach ausgedrückt, wir hätten viel extremere Jahreszeiten und eine geringere Bewohnbarkeit. Beispielsweise würde das winterliche Meereis bei einer starken Neigung einen viermal höheren Teil der Erde einnehmen als heute, mit enormen Auswirkungen auf das Gleichgewicht des Ökosystems. Aber wenn Jupiters Position beibehalten und nur seine Umlaufbahn geändert und, wie gezeigt, exzentrischer würde, würde der kälteste Teil der Erde teilweise erhitzt, wodurch der Anteil des Landes, der für Lebensformen bewohnbar wird, zunimmt. „Wenn Jupiters Position gleich bleibt, aber die Form seiner Umlaufbahn sich ändert, könnte dies die Bewohnbarkeit dieses Planeten tatsächlich erhöhen“, sagte Professor Vervoort in einer Pressemitteilung.

Diese Berechnungen sind sehr wertvoll, um nicht nur zu verstehen, was mit der Erde im Falle von Schwankungen der Umlaufbahn des Jupiter passieren würde, die möglich sind, sondern auch um festzustellen, welche Exoplaneten (Exoplaneten) wirklich interessant sind, wie und in welchem ​​​​Ausmaß sie bewohnbar sind. Der Hauptparameter, den die Wissenschaftler berücksichtigen, ist die Entfernung zum Stern, die weder zu groß (bei Strafe eines Eisplaneten) noch zu nahe (was einen höllischen Planeten impliziert) sein darf. Die „richtige“ Entfernung, die als habitable Zone oder Goldlöckchen bezeichnet wird, gilt als die Entfernung, in der sich Wasser in flüssiger Form auf der Oberfläche des Exoplaneten festsetzen kann. Wie die neue Studie erklärt, wirken sich auch der orbitale Einfluss von Gasriesenplaneten in einem bestimmten System und die Neigung der Rotationsachse auf die Bewohnbarkeit aus, sodass diese Parameter auch in zukünftigen Studien berücksichtigt werden müssen. Besonders jetzt, wo wir ein „Superteleskop“ (das James Webb) haben, das in der Lage ist, die Atmosphären außerirdischer Welten besser zu charakterisieren.