Kako funkcioniraju višestruki zvjezdani sustavi, na kojima se temelji SF "Problem 3 tijela"?

Objava prve sezone Netflixove serije "3 Body Problem", temeljene na Cixinovoj trilogiji "Sjećanje na prošlost Zemlje", povod je za raspravu o zvjezdanim sustavima s dvije, tri ili čak devet zvijezda

Dario Hrupec nedjelja, 31. ožujka 2024. u 09:00

Prošlog sam ljeta, u tekstu Bizarni zvjezdani sustavi - koliko je realnost fantastična, toliko je i fantastika realistična, za Bug pisao o otkriću neobičnog dvojnog (ili binarnog) zvjezdanog sustava pa sam tada spomenuo i trojne sustave te Problem triju tijela, prvi dio znanstveno-fantastične trilogije koju je napisao kineski autor Liu Cixin. Hrvatski prijevodi prvog dijela i drugog dijela (Mračna šuma) izašli su još 2021. dok trećeg djela (Kraj smrti) nema pa nema. Serija je naziv dobila po prvoj knjizi, jer cijela priča o civilizaciji sa zamišljenog planeta Trisolaris (iz stvarno postojećeg trojnog zvjezdanog sustava Alpha Centaura) izvire iz problema koji stvaraju tri zvijezde u kaotičnom gibanju.

O gibanju zvijezda

Gibanje je, po definiciji, relativno. To je promjena položaja tijela s obzirom na drugo tijelo. To drugo tijelo nazivamo referentnim tijelom. Ako referentnog tijela nema, onda nema smisla ni govoriti o gibanju. Kad bi u svemiru postojala samo jedna jedina zvijezda, njezino gibanje ne bi postojalo. U sustavu s dvije zvijezde, jedna drugoj može biti referentno tijelo. S obzirom na drugu, prva se giba. S obzirom na prvu, druga se giba. Mogli bismo doći u iskušenje pa pitati koja se stvarno (ili apsolutno) giba. Niti jedna. Nema apsolutnog gibanja. Svaka se zvijezda giba ako se za referentno tijelo odabere ona druga zvijezda. Ili miruje, ako se za referentno tijelo odabere ta ista zvijezda. Drugim riječima, miruje u vlastitom referentnom sustavu. Tako, primjerice, Zemlja miruje u sustavu Zemlje (na veselje pobornika geocentričnog sustava) i Zemlja se giba u sustavu Sunca (na veselje pobornika heliocentričnog sustava). Naizgled su i jedni i drugi u pravu. A zapravo su i jedni i drugi u krivu. Bit geocentričnog/heliocentričnog sustava je tvrdnja o mirnoj točki, središtu svemira. Takva točka ne postoji. Svemir nema mirnu točku niti središte. Sve se giba.

Bolje je pitanje oko čega orbitiraju dvije zvijezde u dvojnom sustavu. Takva točka postoji i naziva se baricentar. S obzirom na neko treće tijelo i sam baricentar se može gibati. No, ako treće tijelo nije tek referentno tijelo s kojeg opažamo gibanje prvih dvaju tijela (i njihovog baricentra) nego je referentno tijelo negdje drugdje onda imamo gibanje triju tijela. I tu počinju komplikacije.

Gibanje triju zvijezda

Kao što sam već opisao u spomenutom tekstu Bizarni zvjezdani sustavi, opće rješenje gibanja triju tijela u 3D poznati je problem kojeg su slavni matematičari, poput Eulera i Lagrangea, otkrili još u 18. stoljeću. Pokazali su da općeg analitičkog rješenja nema, osim u nekoliko specijalnih slučajeva. Osim toga, Poincaré je 1890. godine otkrio nešto još važnije: sustav triju tijela može se gibati kaotično što znači da je njegovo ponašanje nepredvidivo.

Razvoj života na Zemlji, a onda i civilizacije, odvio se zahvaljujući dugoročno stabilnim uvjetima koji su stvoreni periodičnim (dakle pravilnim, predvidivim) gibanjem naše zvijezde, Sunca, s obzirom na Zemlju. Neki planet u trojnom sustavu zvijezda, čije je gibanje u kaotičnom režimu, ne bi imao dugoročno stabilne uvjete što bi za razvoj civilizacije bio veliki problem. Upravo takav svijet, Trisolaris, zamislio je Liu Cixin. Stanovnici Trisolarisa ne mogu svoje zvijezde prebaciti iz kaotičnog u periodični režim, ali mogu svoj problem riješiti jednostavnije, pretpostavljate već, preseljenjem na Zemlju.

Višestruki zvjezdani sustavi

Zvjezdanih sustava s jednom zvijezdom, kakav je naš "user-friendly" Sunčev sustav, ima u galaksiji oko 70%. Ostalih 30% su višestruki zvjezdani sustavi. Na dvojne sustave otpada nekih 10%. A 20% su sustavi s tri, četiri, pet, šest... ili čak devet zvijezda. Što je više zvijezda u sustavu to je manja učestalost takvih sustava u galaksiji. Konkretni postoci proizlaze iz statističke raspodjele uvjeta nastanka zvjezdanih sustava. A ti višestruki zvjezdani sustavi obično su hijerarhijski ustrojeni. Recimo, trojni sustav može činiti dvojni koji se sastoji od jedne pojedinačne zvijezde i jednog dvojnog sustava. Ili sustav od četiri zvijezde može činiti dvojni sustav od kojih je svaki od partnera opet dvojni.

Od dvojnih sustava možda je najpoznatiji Sirius, najsjajnija zvijezda noćnoga neba. Golim okom vidi se kao jedna zvijezda, no astronomi su već sredinom 19. stoljeća otkrili da osim sjajne dominantne zvijezde, koju danas nazivamo Sirius A, postoji i blijedi pratilac, Sirius B, kategoriziran kao bijeli patuljak. Stari Egipćani su svoj kalendar temeljili na pojavi izlaska Siriusa neposredno prije izlaska Sunca, što se događalo u najtoplijem dijelu godine. S obzirom da je Sirius dio zviježđa Velikog psa onda su ti dani u godini zvani pasji dani, a kako su to bili i najtopliji dani, skovan je naziv koji postoji i danas: pasja vrućina. Više o kalendarima, koji su naravno neodvojivi od astronomije, možete čuti u snimci nedavnog predavanja Prirode uživo koje je održao Zvonimir Šikić. One starije, koji se nostalgično prisjećaju legendarnog SF-časopisa Sirius, upućujem na drugo nedavno predavanje Prirode uživo koje je održao glavni i odgovorni urednik Siriusa i domaći SF-autor Hrvoje Prćić.

Kao primjer trojnog zvjezdanog sustava neizbježna je Alpha Centaura, najsjajnija zvijezda u zviježđu Centaur, a treća po sjaju na noćnom nebu (drugi je Kanop, iz zviježđa Kobilica). Alpha Centaura sastoji se od dvojnog sustava Alpha Centaura A i Alpha Centaura B i treće zvijezde koja s AB parom opet čini dvojni sustav: Proksima Centaura ili Alfa Centaura C. Latinski proxima znači najbliža. To nam je, naime, najbliža zvijezda nakon Sunca. Osim što je Alpha Centaura trojni zvjezdani sustav na kojem Liu Cixin temelji svoju SF-priču (prvi dio, Problem triju tijela, objavljen je 2006. godine), Proksima Centaura ima i planet vrlo sličan Zemlji, Proksima Centaura b, otkriven 2016. Možda nam teleskop James Webb otkrije da atmosfera egzoplaneta Proksima Centaura b sadrži biopotpis, indikator mogućeg izvanzemaljskog života.

Capella, u zviježđu Kočijaš, je zvjezdani sustav od četiri zvijezde. Čine ga dva dvojna sustava koji orbitiraju jedan oko drugog. Preciznije, orbitiraju oko zajedničkog baricentra. Zanimljiva je slučajnost što zviježđe predstavlja lik kočijaša, u grčkoj mitologiji Erihtonija, koji je bio izumitelj borbenog četveroprega.

Preskočit ću primjere poznatih sustava sa pet, šest, sedam i osam zvijezda. Zvjezdani sustav s najmanje devet članova je QZ Carinae, dakle QZ od Kobilice (ili iz zviježđa Kobilice). Otkriven je nedavno, 2022. godine. Nalazi se u zvjezdorodnom području, mjestu gdje je nastaju mnoge nove zvijezde i gdje je gustoća zvijezda očito velika pa su mnoge zvijezde, prirodno, međusobno gravitacijski vezane u višestruke zvjezdane sustave.

 

Dario Hrupec docent je na Odjelu za fiziku Sveučilišta u Osijeku. Bavi se visokoenergijskom gama-astronomijom. Član je međunarodnih kolaboracija MAGIC i CTA. Autor je niza srednjoškolskih udžbenika iz fizike i tri znanstveno-popularizacijske knjige: "Protiv nadnaravnoga", "Ažurirani svemir" i "Razumljivi svijet".