Zaterdag 25/01/2020

wetenschap

Astrofysici opgetogen over nieuwe rekenvondst supercomputer: "Enorme stap in eeuwenoud vraagstuk"

Twee zonnen aan de hemel van planeet Tatooine in de Star Wars-film 'Revenge of the Sith'. Beeld rv

Chinese onderzoekers hebben na langdurig rekenwerk op een supercomputer 1.223 nieuwe, stabiele banen gevonden voor drie hemellichamen. Astrofysici zijn opgetogen over de vondst.

In het echte zonnestelsel mogen dan acht planeten om de zon draaien, astrofysici zijn dezer dagen opgetogen over nieuw rekenwerk met een Chinese supercomputer aan stelsels van drie hemellichamen. "Een enorme stap in een eeuwenoud vraagstuk", noemt de Nederlandse sterrenkundige Simon Portegies Zwart het resultaat.

Al sinds de formulering van de wetten van Newton in de 17de eeuw geldt het drie-lichamenprobleem als principieel onoplosbaar. Voor twee sterren of een planeet en een ster gelden de bekende wetten van Kepler, die beschrijven hoe twee hemellichamen zich ten opzichte van elkaar bewegen. Voor meer hemellichamen blijken de oplossingen wiskundig onvindbaar, terwijl in het universum hele en stabiele zonnestelsels schering en inslag zijn.

Chinese onderzoekers laten nu in een online gepubliceerd artikel zien dat voor het klassieke drie-lichamenprobleem zeker 1.349 oplossingen bestaan en vermoedelijk meer. Op bijbehorende animatiefilmpjes op internet dansen de drie denkbeeldige planeten soms in wonderlijke achtbaanachtige bewegingen om elkaar heen. Op papier zien de krullerige banen eruit alsof een aap met een ouderwetse spirograaf in de weer is geweest, zo gecompliceerd zijn sommige van de oplossingen.

De Chinese onderzoekers uit Shanghai deden hun langdurige rekenwerk op de grote supercomputer in Guangzou, waar de 1.349 stabiele banen werden gevonden. Daarvan waren er 1.223 nog niet eerder gevonden.

Massaverschillen

Die aantallen, zegt Portegies Zwart, zijn betrekkelijk willekeurig. "Dit berust absoluut niet op theorie of diep begrip, het is echt een kwestie van harder kunnen rekenen." Hij noemt het bijzonder dat het rekenwerk gedaan is aan drie hemellichamen met verschillende massa's. Meestal wordt uitgegaan van gelijke massa's, of twee grote massa's en een kleine, om het rekenwerk in te dammen. Volgens de auteurs spelen de massaverschillen zelfs een stabiliserende rol op de grillige banen.

De laatste jaren heeft het gebruik van supercomputers tot een omwenteling in de hemelmechanica geleid. Nu er honderden stabiele banen bekend worden, beginnen patronen zichtbaar te worden. Die, zegt Portegies Zwart, kunnen wellicht tot meer theorievorming leiden. "Er blijken klassen van oplossingen te bestaan waarvan we eerder geen idee hadden", zegt hij in reactie op de Chinese paper.

Experts sluiten niet uit dat er zelfs oneindig veel stabiele planeetbanen voor drie ongelijke planeten kunnen bestaan. Het is niet gezegd dat zulke stelsels ook echt veel voorkomen, zegt Portegies Zwart, zelf expert in zonnestelselvorming. "Er zijn berekeningen die op een handjevol driesterrenstelsels in het hele universum uitkomen, maar eigenlijk weten we het gewoon niet."

De gevonden stabiliteit is vooral verrassend omdat het drie-lichamenprobleem geldt als een schoolvoorbeeld van chaostheorie. Die theorie zegt dat de kleinste variatie in de beginpositie van de planeten op den duur tot totaal verschillende bewegingen door de ruimte zal leiden. Die extreme gevoeligheid voor afwijkingen, hoe ver achter de komma ook, speelt op veel gebieden een rol. Zo is het weer op aarde inherent chaotisch; verder dan een dag of tien is weer nooit te voorspellen.

De oorsprong van de chaostheorie voor planeetbanen gaat terug naar de Franse wiskundige Henri Poincaré die in 1889 meedeed aan een wetenschappelijke prijsvraag van de jarige Zweeds-Noorse koning Oscar II. Hij leverde een oplossing voor het drie-lichamenprobleem in. Om het rekenwerk binnen de perken te brengen, ging hij uit van twee grote planeten en een stofdeeltje, waarvan de aantrekking verwaarloosbaar moest zijn.

Poincaré won de prijs van 2.500 kronen, maar toen hij zijn wiskundige verhandeling daarna in een tijdschrift wilde publiceren, ontdekte hij dat zijn oplossingen radicaal veranderden zodra de beginpositie van het stofje een fractie verschoof. Poincaré liet de voor de koning gedrukte verhandeling terughalen en vergoedde uit eigen zak de drukkosten, die duizend kronen meer waren dan de prijs die hij gewonnen had. In 1890 schreef de Fransman een analyse van het echec, dat tegenwoordig wordt gezien als het begin van de chaostheorie.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met De Morgen?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van De Morgen rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar info@demorgen.be.
DPG Media nv – Mediaplein 1, 2018 Antwerpen – RPR Antwerpen nr. 0432.306.234