Résonance orbitale – la danse gravitationnelle saisissante effectuée par des planètes aux orbites alignées

ARIZONA : (The Conversation) Les planètes tournent autour de leurs étoiles mères tout en étant séparées par d’énormes distances – dans notre système solaire, les planètes sont comme des grains de sable dans une région de la taille d’un terrain de football. Le temps que mettent les planètes à orbiter autour de leur soleil n’a aucune relation spécifique les unes avec les autres.
Mais parfois, leurs orbites présentent des motifs frappants. Par exemple, des astronomes étudiant six planètes en orbite autour d’une étoile située à 100 années-lumière viennent de découvrir qu’elles tournent autour de leur étoile avec un battement presque rythmé, en parfaite synchronisation. Chaque paire de planètes termine son orbite dans des temps qui sont des rapports de nombres entiers, permettant aux planètes de s’aligner et d’exercer une poussée gravitationnelle et une traction sur l’autre pendant leur orbite.
Ce type d’alignement gravitationnel est appelé résonance orbitale, et c’est comme un harmonie entre planètes lointaines.
Je suis un astronome qui étudie et écrit sur la cosmologie. Les chercheurs ont découvert plus de 5 600 exoplanètes au cours des 30 dernières années, et leur extraordinaire diversité continue de surprendre les astronomes.
Harmonie des sphères
Le mathématicien grec Pythagore a découvert les principes de l’harmonie musicale il y a 2 500 ans en analysant les sons des marteaux des forgerons et des cordes pincées.
Il croyait que les mathématiques étaient au cœur du monde naturel et proposait que le Soleil, Lune et les planètes émettent chacune des bourdonnements uniques en fonction de leurs propriétés orbitales. Il pensait que cette « musique des sphères » serait imperceptible à l’oreille humaine.
Il y a quatre cents ans, Johannes Kepler repris cette idée. Il a proposé que les intervalles musicaux et les harmonies décrivaient les mouvements des six planètes connues à l’époque.
Pour Kepler, le système solaire avait deux basses, Jupiter et Saturne ; un ténor, Mars ; deux altos, Vénus et Terre ; et une soprano, Mercury. Ces rôles reflétaient le temps qu’il fallait à chaque planète pour orbiter autour du Soleil, des vitesses plus faibles pour les planètes extérieures et des vitesses plus élevées pour les planètes intérieures.
Il a intitulé le livre qu’il a écrit sur ces relations mathématiques « L’Harmonie du Monde ». Bien que ces idées présentent certaines similitudes avec le concept de résonance orbitale, les planètes n’émettent pas réellement de sons, puisque le son ne peut pas voyager à travers le vide de l’espace. espace.
Résonance orbitale
La résonance se produit lorsque les planètes ou les lunes ont des périodes orbitales qui sont des rapports de nombres entiers. La période orbitale est le temps nécessaire à une planète pour effectuer un tour complet autour de l’étoile. Ainsi, par exemple, deux planètes en orbite autour d’une étoile seraient dans une résonance de 2 : 1 lorsqu’une planète met deux fois plus de temps que l’autre pour orbiter autour de l’étoile. La résonance est observée dans seulement 5 % des systèmes planétaires.
Dans le système solaire, Neptune et Pluton sont en résonance 3:2. Il existe également une triple résonance, 4:2:1, entre les trois lunes de Jupiter : Ganymède, Europe et Io. Pendant le temps qu’il faut à Ganymède pour orbiter autour de Jupiter, Europe tourne deux fois et Io tourne quatre fois. Les résonances se produisent naturellement, lorsque les planètes ont des périodes orbitales qui sont le rapport de nombres entiers.
Les intervalles musicaux décrivent la relation entre deux notes musicales. Dans l’analogie musicale, les intervalles musicaux importants basés sur des rapports de fréquences sont la quarte, 4:3, la quinte, 3:2, et l’octave, 2:1. Quiconque joue de la guitare ou du piano peut reconnaître ces intervalles.
Les résonances orbitales peuvent modifier la façon dont la gravité influence deux corps, les obligeant à accélérer, à ralentir, à se stabiliser sur leur trajectoire orbitale et parfois à perturber leurs orbites.
Pensez à pousser un enfant sur une balançoire. Une planète et une balançoire ont toutes deux une fréquence naturelle. Donnez à l’enfant une poussée qui correspond au mouvement de balancement et il recevra un coup de pouce. Ils recevront également un coup de pouce si vous les poussez une fois sur deux dans cette position, ou une fois sur trois. Mais poussez-les à des moments aléatoires, parfois avec le mouvement de la balançoire et parfois contre, et ils n’obtiendront aucun coup de pouce.
Pour les planètes, le boost peut les maintenir sur leur trajectoire orbitale, mais il est beaucoup plus susceptible de perturber leurs orbites.
Résonance exoplanétaire
Les exoplanètes, ou planètes situées en dehors du système solaire, présentent des exemples frappants de résonance, non seulement entre deux objets, mais également entre des « chaînes » résonnantes impliquant trois objets ou plus.
L’étoile Gliese 876 possède trois planètes avec des rapports de périodes orbitales de 4:2:1, tout comme les trois lunes de Jupiter. Kepler 223 possède quatre planètes avec des rapports de 8:6:4:3.
La naine rouge Kepler 80 possède cinq planètes avec des rapports de 9:6:4:3:2, et TOI 178 possède six planètes, dont cinq sont dans une chaîne résonante avec des rapports de 18:9:6:4:3.
TRAPPIST-1 est le détenteur du record. Elle possède sept planètes semblables à la Terre, dont deux pourraient être habitables, avec des rapports d’orbite de 24:15:9:6:4:3:2.
L’exemple le plus récent de chaîne résonante est le système HD 110067. Elle se trouve à environ 100 années-lumière et compte six planètes sous-Neptune, un type courant d’exoplanète, avec des rapports d’orbite de 54:36:24:16:12:9. La découverte est intéressante car la plupart des chaînes de résonance sont instables et disparaissent avec le temps.
Malgré ces exemples, les chaînes résonantes sont rares et seulement 1 % de tous les systèmes planétaires en présentent. Les astronomes pensent que les planètes se forment en résonance, mais les petits coups de pouce gravitationnels des étoiles qui passent et des planètes errantes effacent la résonance au fil du temps. Avec HD 110067, la chaîne résonante a survécu pendant des milliards d’années, offrant une vue rare et intacte du système tel qu’il était lors de sa formation.
Sonification d’orbite
Les astronomes utilisent une technique appelée sonification pour traduire des données visuelles complexes en son. Cela donne aux gens une manière différente d’apprécier les belles images du télescope spatial Hubble, et cela a été appliqué aux données de rayons X et aux ondes gravitationnelles.
Avec les exoplanètes, la sonification peut transmettre les relations mathématiques de leurs orbites. Les astronomes de l’Observatoire européen austral ont créé ce qu’ils appellent la « musique des sphères » pour le système TOI 178 en associant un son sur une échelle pentatonique à chacune des cinq planètes.
Une traduction musicale similaire a été réalisée pour le système TRAPPIST-1, avec les fréquences orbitales multipliées par un facteur de 212 millions pour les amener dans la plage audible.
Les astronomes ont également créé une sonification pour le système HD 110067. Les gens ne sont peut-être pas d’accord sur le fait que ces interprétations ressemblent à de la vraie musique, mais il est inspirant de voir les idées de Pythagore se concrétiser après 2 500 ans.
2024-02-04 13:02:00
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