Ang kapansin-pansing gravitational dance na ginawa ng mga planeta na may nakahanay na mga orbit

Ang mga planeta ay umiikot sa kanilang mga magulang na bituin habang pinaghihiwalay ng napakalaking distansya—sa ating solar system, ang mga planeta ay parang butil ng buhangin sa isang rehiyon na kasing laki ng isang football field. Ang oras na ginugugol ng mga planeta sa pag-ikot sa kanilang mga araw ay walang tiyak na kaugnayan sa isa’t isa.

Ngunit kung minsan, ang kanilang mga orbit ay nagpapakita ng mga kapansin-pansing pattern. Halimbawa, nag-aaral ang mga astronomo anim na planeta na umiikot sa isang bituin 100 light years ang layo ay natagpuan na lamang nila na nag-o-orbit ang kanilang bituin na may halos maindayog na beat, sa perpektong synchrony. Ang bawat pares ng mga planeta ay nakumpleto ang kanilang mga orbit sa mga oras na ang mga ratio ng mga buong numero, na nagpapahintulot sa mga planeta na ihanay at magsagawa ng gravitational push at pull sa isa pa sa kanilang orbit.

Ang ganitong uri ng gravitational alignment ay tinatawag orbital resonanceat ito ay parang pagkakaisa sa pagitan ng malalayong planeta.

Ako ay isang astronomer na nag-aaral at nagsusulat tungkol sa kosmolohiya. Natuklasan ng mga mananaliksik mahigit 5,600 exoplanet sa nakalipas na 30 taon, at ang kanilang hindi pangkaraniwang pagkakaiba-iba ay patuloy na nakakagulat sa mga astronomo.

Harmony ng mga sphere

Greek mathematician Pythagoras natuklasan ang mga prinsipyo ng pagkakatugma ng musika 2,500 taon na ang nakalilipas sa pamamagitan ng pagsusuri sa mga tunog ng mga martilyo ng mga panday at mga nahugot na kuwerdas.

Naniniwala siya na ang matematika ay nasa puso ng natural na mundo at iminungkahi na ang araw, buwan at mga planeta ay naglalabas ng kakaibang ugong batay sa kanilang mga orbital na katangian. Naisip niya na ang “musika ng mga globo” na ito ay hindi mahahalata sa tainga ng tao.

Apat na raang taon na ang nakalipas, Johannes Kepler kinuha ang ideyang ito. Iminungkahi niya na ang mga musical interval at harmonies ay inilarawan ang mga galaw ng anim na kilalang planeta noong panahong iyon.

Para kay Kepler, ang solar system ay may dalawang basses, Jupiter at Saturn; isang tenor, Mars; dalawang altos, Venus at Earth; at isang soprano, Mercury. Ang mga tungkuling ito ay nagpapakita kung gaano katagal ang bawat planeta sa pag-ikot sa araw, mas mababang bilis para sa mga panlabas na planeta at mas mataas na bilis para sa mga panloob na planeta.

Tinawag niya ang aklat na isinulat niya sa mga ugnayang ito sa matematika “Ang Harmony ng Mundo.” Bagama’t ang mga ideyang ito ay may ilang pagkakatulad sa konsepto ng orbital resonance, ang mga planeta ay hindi aktwal na gumagawa ng mga tunog, dahil ang tunog ay hindi maaaring maglakbay sa vacuum ng espasyo.

Orbital resonance

Ang resonance ay nangyayari kapag ang mga planeta o buwan ay may mga orbital period na mga ratio ng buong numero. Ang orbital period ay ang oras na kinuha para sa isang planeta upang makagawa ng isang kumpletong circuit ng bituin. Kaya, halimbawa, ang dalawang planeta na nag-o-orbit sa isang bituin ay nasa 2:1 resonance kapag ang isang planeta ay tumatagal ng dalawang beses kaysa sa isa pa sa pag-orbit sa bituin. Resonance ay makikita sa lamang 5% ng mga planetary system.

Sa solar system, ang Neptune at Pluto ay nasa 3:2 resonance. Mayroon ding isang triple resonance, 4:2:1, kabilang sa tatlong buwan ni Jupiter: Ganymede, Europa at Io. Sa oras na kailangan ni Ganymede upang mag-orbit sa Jupiter, ang Europa ay dalawang beses na umiikot at Io ay nag-oorbit ng apat na beses. Ang mga resonance ay natural na nangyayari, kapag ang mga planeta ay may mga orbital period na ang ratio ng mga buong numero.

Ang mga pagitan ng musikal ay naglalarawan ng ugnayan sa pagitan ng dalawang nota ng musika. Sa musical analogy, mahalaga mga pagitan ng musika batay sa ratios ng mga frequency ay ang ikaapat, 4:3, ang ikalima, 3:2, at ang octave, 2:1. Ang sinumang naglalaro ng gitara o piano maaaring makilala ang mga agwat na ito.

Ang mga orbital resonance ay maaaring magbago kung paano naiimpluwensyahan ng gravity ang dalawang katawan, na nagiging sanhi ng mga ito upang mapabilis, bumagal, maging matatag sa kanilang orbital na landas at kung minsan ay nagambala ang kanilang mga orbit.

Isipin mong itulak a bata sa isang swing. Ang isang planeta at isang swing ay parehong may natural na dalas. Bigyan ang bata ng push na tumutugma sa swing motion at makakakuha sila ng boost. Makakakuha din sila ng tulong kung itutulak mo sila sa bawat pagkakataong nasa ganoong posisyon sila, o tuwing ikatlong pagkakataon. Ngunit itulak sila sa mga random na oras, kung minsan sa paggalaw ng swing at kung minsan ay laban, at hindi sila nakakakuha ng tulong.

Para sa mga planeta, ang boost ay maaaring panatilihin silang magpatuloy sa kanilang mga orbital path, ngunit ito ay mas malamang na makagambala sa kanilang mga orbit.

Resonance ng Exoplanet

Ang mga exoplanet, o mga planeta sa labas ng solar system, ay nagpapakita ng mga kapansin-pansing halimbawa ng resonance, hindi lamang sa pagitan ng dalawang bagay kundi pati na rin sa pagitan ng mga matunog na “chain” na kinasasangkutan ng tatlo o higit pang mga bagay.

Ang bituin Gliese 876 ay may tatlong planeta na may orbit period ratios na 4:2:1, tulad ng tatlong buwan ng Jupiter. Kepler 223 ay may apat na planeta na may ratio na 8:6:4:3.

Ang red dwarf Kepler 80 ay may limang planeta na may ratio na 9:6:4:3:2, at TOI 178 ay may anim na planeta, kung saan ang lima ay nasa isang resonant chain na may mga ratio na 18:9:6:4:3.

TRAPPIST-1 ay ang may hawak ng record. Mayroon itong pitong planeta na parang Earth, dalawa sa mga ito ay maaaring tirahan, na may mga ratio ng orbit na 24:15:9:6:4:3:2.

Ang pinakabagong halimbawa ng isang resonant chain ay ang HD 110067 sistema. Humigit-kumulang 100 light years ang layo nito at may anim na sub-Neptune na planeta, isang karaniwang uri ng exoplanet, na may mga ratio ng orbit na 54:36:24:16:12:9. Ang pagtuklas ay kawili-wili dahil karamihan sa mga resonance chain ay hindi matatag at nawawala sa paglipas ng panahon.

Sa kabila ng mga halimbawang ito, ang mga resonant chain ay bihira, at 1% lamang ng lahat ng mga planetary system ang nagpapakita ng mga ito. Iniisip ng mga astronomo na ang mga planeta ay nabubuo sa resonance, ngunit ang maliliit na gravitational nudges mula sa mga dumaraan na bituin at gumagala na mga planeta ay binubura ang resonance sa paglipas ng panahon. Sa HD 110067, ang resonant chain ay nakaligtas sa loob ng bilyun-bilyong taon, na nag-aalok ng isang bihirang at malinis na view ng system tulad noong nabuo ito.

Orbit sonification

Ginagamit ng mga astronomo isang pamamaraan na tinatawag na sonification upang isalin ang kumplikadong visual na data sa tunog. Nagbibigay ito sa mga tao ng ibang paraan upang pahalagahan ang magagandang larawan mula sa Hubble Space Telescopeat ito ay inilapat sa Data ng X-ray at gravitational wave.

Sa mga exoplanet, ang sonification ay maaaring maghatid ng mga mathematical na relasyon ng kanilang mga orbit. Ang mga astronomo sa European Southern Observatory ay lumikha ng tinatawag nilang “musika ng mga sphere” para sa TOI 178 system sa pamamagitan ng pag-uugnay ng tunog sa isang pentatonic scale sa bawat isa sa limang planeta.

A katulad na pagsasalin ng musika ay ginawa para sa TRAPPIST-1 system, na may mga orbital frequency na pinalaki ng isang factor na 212 milyon upang dalhin ang mga ito sa naririnig na saklaw.

Mayroon din ang mga astronomo lumikha ng isang sonification para sa HD 110067 system. Maaaring hindi sumang-ayon ang mga tao kung ang mga rendisyon na ito ay parang aktwal na musika, ngunit nakakatuwang makita ang mga ideya ni Pythagoras na natanto pagkatapos ng 2,500 taon.