Ученые воспользовались данными о земном климате, зафиксированными в геологической летописи, для определения орбитальных параметров планет в прошлом — дело в том, что взаимодействие тел Солнечной системы создает периодические колебания движения Земли, что сказывается на ее климате. В результате исследователям удалось определить скорость прецессии перигелиев Меркурия, Венеры, Земли, Марса и Юпитера около 200 миллионов лет назад, в то время как физические расчеты позволяют узнать динамику только до 60 миллионов лет назад. Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Солнечная система, как и многие крупные совокупности взаимодействующих гравитационно тел, система хаотическая. Это означает, что сколь угодно малая неточность в определении параметров в данный момент через конечный промежуток времени становится слишком большой, что не позволяет экстраполировать поведение системы произвольно далеко ни в прошлое, ни в будущее. Современные оценки показывают, что неточности увеличиваются примерно в 10 раз каждые 10 миллионов лет, то есть хаос нарастает экспоненциально. Текущие ошибки измерения орбитальных параметров планет не позволяют надежно предсказывать движение планет на масштабе более 60 миллионов лет. Несмотря на ожидаемое улучшение точности измерения орбит, связанные с хаосом фундаментальные ограничения делают задачу восстановления истории Солнечной системы исключительно на основе ее сегодняшнего состояния абсолютно нерешаемой.
Пол Олсен (Paul E. Olsen) из Колумбийского университета и его коллеги представили первые результаты принципиального иного подхода к определению орбитальных параметров в прошлом, который не ограничен хаотичностью Солнечной системы. Авторы называют свой подход геологическим планетарием (Geological Orrery) по аналогии с механическими моделями солнечной системы. Эта идея основана на использовании сохранившихся в геологической летописи вариациях климата, обусловленных изменениями орбиты Земли согласно законами небесной механики. Такие данные согласуются с астрономическими оценками о предыдущих 60 миллионах лет, но наибольший интерес вызывают более древние времена. Однако получение информации о них затруднено нехваткой геологических данных, удовлетворяющих одновременно двум условиям: достаточным временным масштабом и наличием независимого способа определения возраста.
В первом приближении влияние планет Солнечной системы друг на друга проявляется в виде медленной квазипериодической деформации орбит, которую можно представить как набор долгопериодических вековых частот, примерно соответствующих вкладу отдельных планет. Результирующее изменение можно разделить на прецессию перигелия gi (ближайшей к Солнцу точке траектории) в орбитальной плоскости и прецессию самой орбитальной плоскости si, что описывается движением узла орбиты, то есть точки ее пересечения с плоскостью эклиптики. Разница вековых частот прецессии перигелия соответствует известным в палеоклиматологии циклам эксцентриситета, а сумма частот gi с частотой прецессии земной оси соответствует частоте климатической прецессии, которая сегодня обеспечивает цикличность с периодом около 21 тысячи лет. Прецессия орбитальной плоскости аналогично порождает частоты орбитального наклонения и циклы смены наклона оси с периодом около 41 тысячи лет в текущую эпоху.
Авторы изучали данные двух проектов бурения в раннемезозойских континентальных озерных отложениях: во впадине Ньюарк и на плато Колорадо. Ученым удалось точно восстановить относительно высокие вековые частоты прецессии перигелия внутренних планет и Юпитера в эпоху позднего триаса и ранней юры (199–223 миллионов лет назад), а также выявить более продолжительные изменения, в том числе с периодами около 20, 100 и 405 тысяч лет. Детальный анализ также указал на существование еще более длинных циклов, например, с периодом около 1,7 миллионов лет, который авторы соотносят с вековым резонансом системы Земля—Марс. Ученые отмечают, что сегодня этот период равен 2,4 миллионам лет, то есть значительно изменился со времен мезозоя. Исследователи называют этот факт прямым геологическим доказательством хаотичности Солнечной системы.
В заключении ученые пишут, что полноценный геологический планетарий должен состоять из множества пар низко- и высокоширотных отложений возрастом от палеогена до пермского периода. Анализ такого массива данных позволит узнать историю динамики Солнечной системы от 50 до 250 миллионов лет назад. Эти данные станут принципиально новым источником информации, которая позволит проверить модели эволюции Солнечной системы, астрономические решения и даже гравитационные модели. В частности, подробное восстановление эволюции прецессии перигелия Меркурия в прошлом позволит по-новому протестировать общую теорию относительности и ее альтернативы.
Геологические методы не первый раз помогают решать астрономические задачи. Например, анализ древних пород помог определить длительность суток полтора миллиарда лет назад. В более общем смысле о сложности гравитационной динамики говорит тот факт, что даже задача трех тел не имеет аналитического решения в общем случае, а в 2017 году в ее ограниченном варианте обнаружили несколько сотен периодических решений, наиболее красивые из которых мы свели в галерею.
Тимур Кешелава