Problema dei tre corpi: scoperte ‘isole’ di regolarità

Quando tre oggetti massicci si incontrano nello Spazio, si influenzano a vicenda attraverso la gravità in modi che evolvono in modo imprevedibile. In una parola: caos. Questa è la comprensione convenzionale del problema dei tre corpi.

Il problema dei tre corpi

Un ricercatore dell’Università di Copenaghen ha scoperto che tali incontri spesso evitano il caos e invece seguono schemi regolari, in cui uno degli oggetti viene rapidamente espulso dal sistema. Questa nuova intuizione potrebbe rivelarsi vitale per la nostra comprensione delle onde gravitazionali e di molti altri aspetti dell’Universo.

Uno degli show più popolari su Netflix al momento è la serie di fantascienza 3-Body Problem (il problema dei tre corpi). Basata su una serie di romanzi cinesi di Liu Cixin, la serie coinvolge un serraglio di personaggi, periodi storici e persino visitatori extraterrestri. Ma la premessa centrale riguarda un sistema stellare in cui tre stelle gravitano l’una attorno all’altra.

Un sistema del genere, con tre oggetti che influenzano reciprocamente la gravità, ha affascinato gli scienziati fin da quando il “padre della gravità“, Isaac Newton, lo ha descritto per la prima volta. Mentre l’interazione tra due oggetti che si incontrano nello spazio è prevedibile, l’introduzione di un terzo oggetto massiccio rende l’incontro triadico non solo complesso, ma caotico.

Lo studio

“Il problema dei tre corpi è uno dei più famosi problemi irrisolvibili della matematica e della fisica teorica. La teoria afferma che quando tre oggetti si incontrano, la loro interazione evolve in modo caotico, senza regolarità e completamente distaccata dal punto di partenza“, ha spiegato Alessandro Alberto Trani del Niels Bohr Institute dell’Università di Copenaghen.

“I nostri milioni di simulazioni dimostrano che in questo caos ci sono delle lacune, ‘isole di regolarità’, che dipendono direttamente da come i tre oggetti sono posizionati l’uno rispetto all’altro quando si incontrano, nonché dalla loro velocità e dall’angolo di avvicinamento“.

Trani spera che la scoperta apra la strada a modelli astrofisici migliorati, poiché il problema dei tre corpi non è solo una sfida teorica. L’incontro di tre oggetti nell’Universo è un evento comune e la sua comprensione è fondamentale. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Astronomy & Astrophysics.

“Se vogliamo comprendere le onde gravitazionali, che vengono emesse dai buchi neri e da altri oggetti massicci in movimento, le interazioni dei buchi neri quando si incontrano e si fondono sono essenziali. Sono in gioco forze immense, in particolare quando tre di loro si incontrano. Pertanto, la nostra comprensione del problema dei tre corpi potrebbe essere una chiave per comprendere fenomeni come le onde gravitazionali, la gravità stessa e molti altri misteri fondamentali dell’Universo“, ha aggiunto il ricercatore.

Per indagare il problema dei tre corpi, Trani ha codificato il suo programma software, Tsunami, che può calcolare i movimenti degli oggetti astronomici basandosi sulla conoscenza che abbiamo delle leggi della natura, come la gravità di Newton e la relatività generale di Einstein. Trani lo ha impostato per eseguire milioni di simulazioni di incontri a tre corpi entro determinati parametri definiti.

I parametri iniziali per le simulazioni erano le posizioni di due degli oggetti nella loro orbita reciproca, ovvero la loro fase lungo un asse di 360 gradi. Quindi, l’angolo di avvicinamento del terzo oggetto, che variava di 90 gradi.

I milioni di simulazioni sono stati distribuiti tra le varie possibili combinazioni all’interno di questo framework. Nel complesso, i risultati formano una mappa approssimativa di tutti i possibili esiti, come un vasto arazzo tessuto dai fili delle configurazioni iniziali. È qui che compaiono le isole di regolarità.

“Se il problema dei tre corpi fosse puramente caotico, vedremmo solo un mix caotico di punti indistinguibili, con tutti e tre i risultati che si fondono insieme senza alcun ordine discernibile. Invece, da questo mare caotico emergono delle ‘isole’ regolari, dove il sistema si comporta in modo prevedibile, portando a risultati uniformi e, quindi, a colori uniformi“, ha osservato Trani.

Conclusioni

Questa scoperta promette grandi cose per una comprensione più approfondita di un fenomeno come il problema dei tre corpi altrimenti impossibile. Nel breve termine, tuttavia, rappresenta una sfida per i ricercatori. Il caos puro è qualcosa che sanno già come calcolare usando metodi statistici, ma quando il caos viene interrotto da regolarità, i calcoli diventano più complessi.

“Quando alcune regioni in questa mappa di possibili risultati diventano improvvisamente regolari, ciò manda in tilt i calcoli di probabilità statistica, portando a previsioni imprecise. La nostra sfida ora è imparare a combinare metodi statistici con i cosiddetti calcoli numerici, che offrono un’elevata precisione quando il sistema si comporta regolarmente“, ha spiegato Trani.

“In questo senso, i miei risultati sul problema dei tre corpi ci hanno riportato al punto di partenza, ma allo stesso tempo offrono la speranza di raggiungere un livello di comprensione completamente nuovo nel lungo periodo“, ha concluso.