از سیاره تیر تا پلوتون، آشوبی گریبانگیر منظومه شمسی

نیوتون کاملاً اشتباه نکرده بود که منظومه شمسی مانند ساعت کار می‌کند. سازمان فضا و هوا نوردی امریکا (NASA) هنوز می‌تواند یک سفینه فضایی را به طرف مشتری بفرستد و انتظار داشته باشد این سفینه به همان جایی برسد که، طبق پیش بینی، سیاره باید در آن جا باشد. اما اخیراً مسلّم شده است که پیش بینی مکان سیارات در آینده دور آن قدرها قابل اطمینان نیست. چندی پیش محققان مؤسسه تکنولوؤی ماساچوست (MIT)، جرالد ساسمن (که طراح کامپیوتر است) و جک ویزدام (که حرکات اجسام منظومه شمسی را با آن کامپیوترها محاسبه می‌کند) در مجله ساینس گزارش کردند که شبیه سازیهای صد میلیون ساله مدار سیارات نشان می‌دهد که هر نه سیاره آشوبناکند. کوپکترین تغییر در شرایط اولیه مکان یا سرعت یک سیاره، حرکات آن را در میلیونها سال بعد کاملا! غیر قابل پیش بینی می‌سازد.
این نتیجه نقطه آخر جستجوی آشوب در دنیای سیاره‌ای بود که نخستین قرائن آن را در سال 1988 ساسمن و ویلسون در مدار آشوبناک پلوتون یافتند. این کشف اولیه با محاسبات ژاک لاسکر (از اداره جغرافیایی پاریس) وسعت بیشتری پیدا کرد و مشخص شد که بقیه منظومه شمسی هم آشوبناک است. اما چون لاسکر در محاسباتش از راه میانبری استفاده کرده بود که مسلم نبود قابل اعتماد باشد جای تردید همچنان وجود داشت.
اما حالا دیگر شکی باقی نمانده است. ساسمن و ویزدام با محاسبه حرکات نه سیاره بدون استفاده از راه میانبر، این عدم اطمینان را از میان برداشته‌اند. حالا محققان می‌توانند سؤالهای بعدی را مطرح کنند: چه چیز باعث آشوبناکی منظومه شمسی می‌شود؟ با همه قرائنی که برای آشوب وجود دارد چرا سیارات از مدارهای پایدارشان خارج نشده‌اند؟
اسکات تریمن از دانشگاه تورنتو بیان داشت که صرف اثبات وجود آشوبی همه جا گیر «دستاورد علمی برجسته‌ای» است. تنها راه این اثبات محاسبه بر هم کنشهای پیچیده گرانشی منظومه شمسی برای میلیونها مدار است. محققان وضعیت اولیه یک سیاره را به اندازه یک میلی متر تغییر می‌دهند و پی آمدهای کاملاً متفاوت را که از انتگرال گیریهای پی در پی به دست می‌آید می‌آزمایند و به این طریق به جستجوی آشوب می‌پردازند.
این کار شاید به نظر ساده باشد اما مستلزم مقدار عظیمی کار با کامپیوتر است. کامپیوترهای معمولی برای انجام محاسبات سیاره‌ای در دوره‌های طولانی بسیار کند هستند. به همین دلیل ساسمن و ویزدام از ماشینی با طراحی مخصوص استفاده کردند که یک اَبَر کامپیوتر مخصوص محاسبه حرکات سیاره‌ای بود. فقط یکی از هشت پردازشگر موازی آن می‌توانست چنین محاسباتی را به سرعت یک ابر کامپیوتر کری 1 انجام دهد. علاوه بر این تکنیک ریاضی‌ای که ویزام ابداع کرد این محاسبات را چندین برابر سریعتر کرد. با وجود اینها برای هر دوره صد میلیون ساله که کسر کوچکی از عمر پنج میلیارد ساله منظومه شمسی است اما برای پدیدار شدن آشوب کفایت می‌کند – یک ماه کامل زمان کامپیوتر لازم است.
پی بردن به آشوب به این معنی نیست که عامل اغتشاش در نظم ماشین سماوی را می‌شناسیم، با وجود این لاسکر تصور می‌کند که منبع اصلی آشوب را دست کم در قسمت داخلی منظومه شمسی پیدا کرده است، و این چیزی نیست مگر یک بر هم کنش پیچیده گرانشی زمین و مریخ. این قبیل تشدیدها آشوب سیاره‌ای را بر می‌انگیزد، درست به همان نمحوی که هل دادن تاب، آن را به تشدید وا می‌دارد. همان تشدیدی (میان زمین و مریخ) که لاسکر متوجهش شده بود. از انتگرال گیریهای حرکات سیاره‌ای، در یک دوره شش میلیون ساله، که توسط توماس کوئین (از دانشگاه آکسفورد)، ترمین و مارتین انکان (از دانشگاه کوئین در کینگستون) انجام می‌شد، سر در آورده است. اما ویزدام و ساسمن مطمدن نبودند که رقص زمین و مریخ عامل آشوب باشد. ویزدام گفت اگر چه ما همان عددهای لاکسر را به دست آوردیم ولی قرائنی وجود دارد که حاکی از نادرست بودن توضیح لاکسر است.
سوای تشخیص عامل آشوب، سؤال ظریفانه‌تر متخصصان مکانیک سماوی این است که چه چیزی این حرکت آشوبی را مهار می‌کند. رد آشوب، در جمع اجرام کوچکتر منظومه شمسی هم دیده شده است. در این جاست که آشوب، آشوب بر پا می‌کند: سیارکها را از حلقه سیارکی بیرون می‌اندازد و سبب می‌شود که هپیریون، قمر زحل، افتان و خیزان این سو و آن سو برود. اما ظاهراً آشوب در حرکت خود سیاره‌ها فاجعه آمیز نیست بلکه به نوعی محدود است. هم در محاسبات کامپیوتری و هم در جهان واقعی سیارات ممکن است کمی جا به جا شوند ولی از مدارهایشان بیرون نمی‌افتند.
کلید معما را شاید بتوان از مثال ساده‌تری که آندره آمیلانی و آنانوبیلی (از دانشگاه پیزای ایتالیا) تجزیه و تحلیل کردند حدس زد. آنها نشان دادند که حرکت سیارک هیلگا گر چه به علت تشدید با مشتری آشوبناک است و بعد از هفت هزار سال غیر قابل پیش بینی می‌شود ولی مدار آن در طول هفت میلیون سالی که محاسبه شده است پایدار باقی می‌ماند. میلانی و نوبیلی تصور می‌کنند که مشتری، هم منبع آشوب است و هم عامل مقید ماندن حرکت. دو تشدید دیگر بین مشتری و هیلگا وجود دارد که آشوب را مقید می‌کند و نمی‌گذارد فاصله آن قدر کم شود که مشتری بتواند هیلگا را از مدارش خارج کند. به عقیده میلانی این یک مورد استثنایی نیست بلکه بهترین مثال است. جرالد کوئین لند از دانشگاه تورنتو که منظومه شمسی ساده شده‌ای متشکل از چهار سیاره مشتری گونه را در مدارهای مختلف مطالعه کرده متوجه شده است که امکان وقوع آشوب مقید و محدود خیلی بیشتر از آشوب فاجعه آمیز است.
معرفت بیشتر نسبت به آینده آشوب و پایداری منظومه شمسی ممکن است از طریق انتگرال گیری حرکات سیاره در طول پنج میلیارد سال عمر منظومه شمسی حاصل شود. به نظر اسکات ترمین بعد از کار بزرگ ساسمن و ویزدام احتمال آن هست که چیز واقعاً تازه‌ای پیدا نشود.