Le célèbre chaos problème à trois corpsqui décrit comment trois masses interagissent gravitationnellement, a intrigué les physiciens pendant des siècles. Aujourd’hui, de nouvelles recherches suggèrent que la situation n’est pas aussi chaotique que le pensaient les scientifiques – et cette découverte pourrait rendre le problème plus déroutant que jamais.
Lorsque les solutions au problème des trois corps sont élaborées en fonction du point de départ des trois objets les uns par rapport aux autres, des îlots de stabilité émergent du chaos, ont rapporté les chercheurs dans le numéro de septembre de la revue. Astronomie et astrophysique. Ces îles pourraient aider les scientifiques à détecter les collisions de trous noirs, ont indiqué les chercheurs.
Les interactions gravitationnelles entre deux corps peuvent être décrites et cartographiées de manière fiable à l’aide d’équations. Mais lorsque vous ajoutez un troisième objet, les choses deviennent folles : les mouvements des corps sont imprévisibles et se terminent souvent par l’expulsion de l’un des corps hors du système. Même de petits changements dans leurs masses, vitesses ou positions de départ conduisent souvent à des résultats radicalement différents.
D’une manière générale, les chercheurs utilisent des statistiques pour prédire la fréquence à laquelle l’un des trois corps sera éjecté du système. Mais quand Alexandre Traniphysicien théoricien à l’Institut Niels Bohr au Danemark, et ses collègues ont effectué des simulations informatiques du problème à trois corps, mais leurs résultats ne correspondaient pas aux prédictions statistiques.
Leurs expériences ont commencé avec un système binaire – deux objets en orbite l’un autour de l’autre – et un seul objet venant d’ailleurs dans l’espace. Au cours de plus d’un million de simulations, l’équipe a modifié les positions des deux corps dans la binaire et l’angle selon lequel l’objet unique s’est approché. Ensuite, ils ont laissé les trois corps interagir jusqu’à ce que l’un d’entre eux soit finalement expulsé du système.
Dans un système purement chaotique, même un petit ajustement des positions ou des angles des trois corps pourrait changer lequel des trois objets serait éjecté. Mais Trani et ses collègues ont trouvé plusieurs gammes de positions et d’angles dans lesquels le même objet était expulsé à chaque fois. Ces « îlots de régularité » représentent des lacunes dans le chaos du problème à trois corps.
Ces zones non chaotiques pourraient compliquer la façon dont les chercheurs prédisent les interactions à trois corps dans l’espace. Les prédictions que les scientifiques appliquent habituellement à ces interactions astrophysiques reposent sur des statistiques, a déclaré Trani. Mais les calculs purement statistiques ne fonctionnent pas sur des problèmes incluant des régions de chaos et de régularité.
« Nous devons avoir un mélange de prédictions statistiques pour l’espace chaotique et un mélange de théorie mécanique régulière ou de théorie déterministe pour l’espace chaotique, et nous devons également savoir comment mélanger les résultats », a déclaré Trani à Live Science. « C’est la partie la plus difficile : identifier où le problème à trois corps est chaotique et où il ne l’est pas, sans exécuter de simulations. »
La découverte de ces régions de stabilité pourrait également aider les scientifiques à repérer et à comprendre les ondes gravitationnelles, qui sont libérées lorsque les trous noirs interagissent ou fusionnent. Les interactions entre trois trous noirs, qui sont relativement courantes à l’intérieur des amas d’étoiles, peuvent en envoyer deux se diriger l’une vers l’autre. Mais les prédictions de ces événements ne capturent que ceux résultant d’interactions chaotiques. Il pourrait y avoir davantage d’interactions non chaotiques entre trois trous noirs et, par conséquent, davantage d’opportunités pour étudier les ondes gravitationnelles, a déclaré Trani.
