Подпишитесь на Постскрипт в Telegram
Nautilus | США | 17 сентября 2022 | Оригинал статьи
Пошаговое руководство по гибели Солнечной системы
Сначала выкипят океаны, а затем все обернется по-настоящему печально.
Шон Реймонд
Сначала выкипят океаны, а затем все обернется по-настоящему печально.
Шон Реймонд
Наша Солнечная система находится на пути к своей гибели. Движется она к гибели очень медленно. В течение следующих нескольких миллиардов лет произойдет ряд печальных событий, от не очень приятных до действительно трагических. После этого наша Солнечная система исчезнет: Все планеты будут потеряны, а Солнце превратится в одинокий белый карлик.
(Делаем паузу, чтобы вытереть слезы.)
Я буду пошагово вести вас по будущему нашей Солнечной системы. Поскольку Земля является нашим домом, я расскажу о ключевых событиях, влияющих на жизнь на Земле. Вот пять предстоящих этапов:
1. Океаны на Земле выкипят.
2. Орбиты планет могут стать нестабильными, что может привести к гигантскому столкновению планет.
3. Солнце превратится в красного гиганта и поглотит планеты.
4. Пролетающая мимо звезда вызовет динамическую нестабильность среди оставшихся планет.
5. Пролетающая звезда уничтожит последнюю планету.
Каждое из этих событий произойдет почти наверняка, за исключением второго (вероятность которого относительно мала). Но для наступления развязки потребуется около 100 миллиардов лет.
Давайте приступим к рассмотрению.
О конце жидкой воды (и жизни) на Земле
Наше солнце очень медленно нагревается. Сегодня оно примерно на 30 процентов ярче, чем в момент своего образования. По мере того как Солнце преобразует водород в гелий в своем ядре, средний молекулярный вес увеличивается, тем самым повышая температуру ядра и скорость реакции синтеза (называемой протон-протонным циклом). Это постепенно увеличивает энерговыделение Солнца.
Для существования жизни на земле, такой как мы ее знаем, необходима жидкая вода. Чтобы сохранять воду в жидком состоянии на поверхности планеты, должен поддерживаться баланс между поступающей и исходящей энергией, поддерживающий нужный диапазон температур.
Энергетический баланс постоянно корректируется. Если количество парниковых газов в атмосфере Земли увеличивается (как это происходит сейчас), эффект "одеяла" парниковых газов создает новый энергетический баланс с более теплой поверхностью.
У Земли есть встроенный термостат: карбонатно-силикатный цикл, который регулирует количество углекислого газа в атмосфере, тем самым поддерживая стабильный климат. К сожалению для нас, людей, этот цикл действует в временном масштабе миллионов лет, поэтому он слишком медленен, чтобы помочь нам в решении текущей проблемы глобального потепления.
(Делаем паузу, чтобы вытереть слезы.)
Я буду пошагово вести вас по будущему нашей Солнечной системы. Поскольку Земля является нашим домом, я расскажу о ключевых событиях, влияющих на жизнь на Земле. Вот пять предстоящих этапов:
1. Океаны на Земле выкипят.
2. Орбиты планет могут стать нестабильными, что может привести к гигантскому столкновению планет.
3. Солнце превратится в красного гиганта и поглотит планеты.
4. Пролетающая мимо звезда вызовет динамическую нестабильность среди оставшихся планет.
5. Пролетающая звезда уничтожит последнюю планету.
Каждое из этих событий произойдет почти наверняка, за исключением второго (вероятность которого относительно мала). Но для наступления развязки потребуется около 100 миллиардов лет.
Давайте приступим к рассмотрению.
О конце жидкой воды (и жизни) на Земле
Наше солнце очень медленно нагревается. Сегодня оно примерно на 30 процентов ярче, чем в момент своего образования. По мере того как Солнце преобразует водород в гелий в своем ядре, средний молекулярный вес увеличивается, тем самым повышая температуру ядра и скорость реакции синтеза (называемой протон-протонным циклом). Это постепенно увеличивает энерговыделение Солнца.
Для существования жизни на земле, такой как мы ее знаем, необходима жидкая вода. Чтобы сохранять воду в жидком состоянии на поверхности планеты, должен поддерживаться баланс между поступающей и исходящей энергией, поддерживающий нужный диапазон температур.
Энергетический баланс постоянно корректируется. Если количество парниковых газов в атмосфере Земли увеличивается (как это происходит сейчас), эффект "одеяла" парниковых газов создает новый энергетический баланс с более теплой поверхностью.
У Земли есть встроенный термостат: карбонатно-силикатный цикл, который регулирует количество углекислого газа в атмосфере, тем самым поддерживая стабильный климат. К сожалению для нас, людей, этот цикл действует в временном масштабе миллионов лет, поэтому он слишком медленен, чтобы помочь нам в решении текущей проблемы глобального потепления.
ТЕПЛОЕ ОДЕЯЛО: Парниковый эффект, по сути, заставляет нашу атмосферу действовать как одеяло, замедляя процесс ухода энергии в космос. Большее количество парниковых газов означает более плотное одеяло. Источник: Time Scavengers
Другой путь к нагреванию планеты - это увеличение количества поступающей энергии. Именно это и происходит, поскольку яркость Солнца медленно увеличивается. И, несмотря на то, что существуют гораздо более краткосрочные вариации в климате Земли, связанные с временами года, изменениями в составе атмосферы (как от антропогенных парниковых газов, так и иногда от вулканической пыли) и циклами Миланковича, поверхность Земли медленно, но неумолимо нагревается из-за увеличения яркости Солнца.
В какой-то момент атмосфера Земли больше не сможет поддерживать стабильный энергетический баланс, и парниковый эффект перейдет в фазу необратимого потепления. В безудержной парниковой системе существует положительная обратная связь. Поверхность планеты становится более горячей, что приводит к испарению большего количества воды в атмосферу. Вода - сильный парниковый газ, поэтому это еще больше увеличивает силу парникового эффекта, что еще больше нагревает поверхность планеты.
В какой-то момент атмосфера Земли больше не сможет поддерживать стабильный энергетический баланс, и парниковый эффект перейдет в фазу необратимого потепления. В безудержной парниковой системе существует положительная обратная связь. Поверхность планеты становится более горячей, что приводит к испарению большего количества воды в атмосферу. Вода - сильный парниковый газ, поэтому это еще больше увеличивает силу парникового эффекта, что еще больше нагревает поверхность планеты.
Источник: Шон Рэймонд
Когда парниковый эффект выйдет из-под контроля, он нагреет поверхность Земли до такой степени, что океаны полностью испарятся. В результате планета будет становиться все жарче и жарче, пока не будет достигнуто новое равновесие: планета с паляще горячей поверхностью и водой в атмосфере (вероятно, в "сверхкритическом" состоянии, то есть без различия между жидкостью и газом). На поверхности Земли будет больше водяного пара, но не будет жидкого океана.
Можно также посмотреть на это представив "обитаемую зону" - область орбиты вокруг звезды, находясь внутри которой планета может иметь жидкую воду, при условии, что у нее есть соответствующая атмосфера. Внешний край пригодной для жизни зоны - это то расстояние от звезды, за которым атмосфера планеты подвергнется резкому парниковому нагреву. В настоящее время внутренний край пригодной для жизни зоны Солнца находится примерно на 95 процентах расстояния между Землей и Солнцем.
Можно также посмотреть на это представив "обитаемую зону" - область орбиты вокруг звезды, находясь внутри которой планета может иметь жидкую воду, при условии, что у нее есть соответствующая атмосфера. Внешний край пригодной для жизни зоны - это то расстояние от звезды, за которым атмосфера планеты подвергнется резкому парниковому нагреву. В настоящее время внутренний край пригодной для жизни зоны Солнца находится примерно на 95 процентах расстояния между Землей и Солнцем.
НАМ ЗДЕСЬ ХОРОШО: Текущее расположение обитаемой зоны Солнца. Внутренний край расположен примерно на 95 процентах расстояния между Землей и Солнцем. Источник: Mythic Scribes
С увеличением интенсивности солнечного света внутренний край обитаемой зоны медленно продвигается вперед. Когда именно внутренний край пригодной для жизни зоны пересечет орбиту Земли, определить довольно сложно, но, по оценкам, примерно через один миллиард лет.
С этого момента на Земле больше не будет жидкой воды. Отсутствие жидкой воды означает отсутствие жизни, по крайней мере, в том виде, в котором мы ее знаем. Говоря словами великого Мела Брукса: "Вот и пропала планета!".
Хаотическая дестабилизация планетарных орбит
Орбиты планет хаотичны. В математическом смысле это означает, что мы не можем предсказать их точное положение в отдаленном будущем (примерно через 10-100 миллионов лет).
Думая о будущем, легко представить себе самое худшее. Когда мои дети еще ползали, я представлял себе ужасное будущее, в котором они сползают с края... ну, с края чего-нибудь высокого. К счастью, ничего подобного никогда не происходило. Но перспектива меня пугала.
Учитывая, что планетарные орбиты хаотичны, мы не можем знать их будущее. Можем ли мы просто предположить, что их орбиты останутся устойчивыми и стабильными на все время своего существования? Или, как молодой родитель, мы можем предполагать худшее, что все пойдет крайне неудачно?
Компьютеры могут помочь нам найти ответ, хотя и вероятностный. Используя коды, разработанные для отслеживания орбит планет во времени, мы можем смоделировать множество возможных вариантов будущего Солнечной системы. Каждая симуляция начинается с очень незначительно отличающихся позиций планет сегодня, а затем проецирует их в будущее. Мы знаем положения планет довольно точно, но существуют неопределенности на уровне миллиметров и метров, и эти неопределенности усиливаются под воздействием эффекта хаоса.
Некоторые моделирования показывают, что орбита Меркурия станет чрезвычайно растянутой, или эксцентричной. Это может произойти, если Меркурий войдет в "светский резонанс" с Юпитером. Резонанс вызывает выравнивание орбит двух планет, при котором линии апсид планет - линии, соединяющие Солнце с позицией ближайшего сближения - начинают смещаться вместе, сохраняя свое выравнивание в течение многих тысяч лет. Это постепенно растягивает орбиту Меркурия.
Когда орбита Меркурия становится настолько растянутой, что пересекает орбиту Венеры, могут произойти самые разные удивительные вещи. Меркурий может подойти так близко к Солнцу, что будет поглощен им. Другая возможность - столкновение Меркурия с Венерой. Возможно, самый драматический (и трагический) исход, который мы наблюдали до сих пор, заключается в том, что Меркурий может возмутить орбиты других каменистых планет до такой степени, что это приведет к столкновению Земли и Марса.
Какова вероятность того, что это произойдет? Действительно ли Земля столкнется с Марсом через 3 миллиарда лет? Самое тщательное на сегодняшний день исследование, проведенное в 2009 году, показало, что вероятность того, что Меркурий войдет в светский резонанс с Юпитером и посеет хаос в ближайшие 5 миллиардов лет, составляет около 1 процента. Даже если Меркурий войдет в резонанс, существует лишь небольшой шанс столкновения с Землей. Гораздо более вероятно, что Меркурий просто врежется в Солнце или столкнется с Венерой.
Другими словами, существует 99-процентная вероятность того, что орбиты планет будут продолжать двигаться вокруг Солнца как часы, по крайней мере до тех пор, пока само Солнце не начнет меняться...
Солнце превратится в красного гиганта, поглотит внутренние планеты а затем превратится в белого карлика
Примерно через 5 миллиардов лет в ядре Солнца иссякнет водород - топливо для его термоядерного реактора. Солнце продолжит сжигать водород в расширяющейся оболочке, и это приведет к тому, что звезда превратится в красного гиганта.
С этого момента на Земле больше не будет жидкой воды. Отсутствие жидкой воды означает отсутствие жизни, по крайней мере, в том виде, в котором мы ее знаем. Говоря словами великого Мела Брукса: "Вот и пропала планета!".
Хаотическая дестабилизация планетарных орбит
Орбиты планет хаотичны. В математическом смысле это означает, что мы не можем предсказать их точное положение в отдаленном будущем (примерно через 10-100 миллионов лет).
Думая о будущем, легко представить себе самое худшее. Когда мои дети еще ползали, я представлял себе ужасное будущее, в котором они сползают с края... ну, с края чего-нибудь высокого. К счастью, ничего подобного никогда не происходило. Но перспектива меня пугала.
Учитывая, что планетарные орбиты хаотичны, мы не можем знать их будущее. Можем ли мы просто предположить, что их орбиты останутся устойчивыми и стабильными на все время своего существования? Или, как молодой родитель, мы можем предполагать худшее, что все пойдет крайне неудачно?
Компьютеры могут помочь нам найти ответ, хотя и вероятностный. Используя коды, разработанные для отслеживания орбит планет во времени, мы можем смоделировать множество возможных вариантов будущего Солнечной системы. Каждая симуляция начинается с очень незначительно отличающихся позиций планет сегодня, а затем проецирует их в будущее. Мы знаем положения планет довольно точно, но существуют неопределенности на уровне миллиметров и метров, и эти неопределенности усиливаются под воздействием эффекта хаоса.
Некоторые моделирования показывают, что орбита Меркурия станет чрезвычайно растянутой, или эксцентричной. Это может произойти, если Меркурий войдет в "светский резонанс" с Юпитером. Резонанс вызывает выравнивание орбит двух планет, при котором линии апсид планет - линии, соединяющие Солнце с позицией ближайшего сближения - начинают смещаться вместе, сохраняя свое выравнивание в течение многих тысяч лет. Это постепенно растягивает орбиту Меркурия.
Когда орбита Меркурия становится настолько растянутой, что пересекает орбиту Венеры, могут произойти самые разные удивительные вещи. Меркурий может подойти так близко к Солнцу, что будет поглощен им. Другая возможность - столкновение Меркурия с Венерой. Возможно, самый драматический (и трагический) исход, который мы наблюдали до сих пор, заключается в том, что Меркурий может возмутить орбиты других каменистых планет до такой степени, что это приведет к столкновению Земли и Марса.
Какова вероятность того, что это произойдет? Действительно ли Земля столкнется с Марсом через 3 миллиарда лет? Самое тщательное на сегодняшний день исследование, проведенное в 2009 году, показало, что вероятность того, что Меркурий войдет в светский резонанс с Юпитером и посеет хаос в ближайшие 5 миллиардов лет, составляет около 1 процента. Даже если Меркурий войдет в резонанс, существует лишь небольшой шанс столкновения с Землей. Гораздо более вероятно, что Меркурий просто врежется в Солнце или столкнется с Венерой.
Другими словами, существует 99-процентная вероятность того, что орбиты планет будут продолжать двигаться вокруг Солнца как часы, по крайней мере до тех пор, пока само Солнце не начнет меняться...
Солнце превратится в красного гиганта, поглотит внутренние планеты а затем превратится в белого карлика
Примерно через 5 миллиардов лет в ядре Солнца иссякнет водород - топливо для его термоядерного реактора. Солнце продолжит сжигать водород в расширяющейся оболочке, и это приведет к тому, что звезда превратится в красного гиганта.
Солнечно яркая жизнь: красные гиганты холоднее, чем звезды типа Солнца (отсюда их краснота), но они чрезвычайно яркие из-за своих очень больших размеров. Источник: Unuplusunu / Wikicommons
Бетельгейзе, яркое правое плечо Ориона, является хорошим примером красного гиганта. Солнце будет красным гигантом около полумиллиарда лет. Его яркость будет увеличиваться, а зона обитаемости будет смещаться все дальше и дальше, охватывая Юпитер и Сатурн. Во время этой фазы крупные спутники планет-гигантов могут обрести условия для существования жидкой воды на своей поверхности. Многие из этих спутников имеют много воды в своих недрах, в том числе некоторые (наиболее известный из них спутник Юпитера - Европа) с жидкими океанами под ледяной оболочкой. Ганимед, самый большой спутник Солнечной системы, имеет массу примерно в 40 раз меньше Земли, но считается, что он наполовину состоит из воды! Это делает водяной запас Ганимеда значительно большим, чем у Земли, так как вода составляет всего лишь 1 часть из 1000 от массы нашей планеты. Таким образом, Ганимед станет океанической луной примерно через 7 миллиардов лет.
СМЕНА ЗОН: Вверху: обитаемая зона вокруг Солнца сегодня. Внизу: обитаемая зона вокруг Солнца, когда оно станет красным гигантом примерно через 7 миллиардов лет. Источник: Венди Кенигсберг
Орбиты планет будут подстраиваться под меняющееся Солнце. Внутренние планеты будут поглощены, когда Солнце станет красным гигантом. Планеты, расположенные далеко от Солнца, будут выходить на более широкие орбиты по мере того, как Солнце будет терять массу из-за мощных ветров, дующих с его поверхности. Когда гравитация Солнца ослабевает, орбита планеты естественным образом расширяется, подобно тому, как слинки теряет натяжение и растягивается с возрастом.
Красный гигант очень велик. Чтобы стать красным гигантом, Солнце увеличится примерно в 100 раз и растянется примерно на такое же расстояние, как и нынешняя орбита Земли. Наша планета находится на краю пропасти: Мы не знаем, будет ли она поглощена Солнцем или вырвется на более широкую орбиту.
Тем временем ядро Солнца будет сжиматься, пока повышенная температура и давление не приведут к синтезу гелия. Произойдет несколько вспышек, а затем Солнце сбросит свои внешние слои в виде "планетарной туманности" (которая не имеет никакого отношения к планетам - это просто старое название, которое прижилось). От Солнца останется только его ядро - маленький белый карлик, который не будет делать ничего, кроме как медленно остывать в течение целой вечности.
Красный гигант очень велик. Чтобы стать красным гигантом, Солнце увеличится примерно в 100 раз и растянется примерно на такое же расстояние, как и нынешняя орбита Земли. Наша планета находится на краю пропасти: Мы не знаем, будет ли она поглощена Солнцем или вырвется на более широкую орбиту.
Тем временем ядро Солнца будет сжиматься, пока повышенная температура и давление не приведут к синтезу гелия. Произойдет несколько вспышек, а затем Солнце сбросит свои внешние слои в виде "планетарной туманности" (которая не имеет никакого отношения к планетам - это просто старое название, которое прижилось). От Солнца останется только его ядро - маленький белый карлик, который не будет делать ничего, кроме как медленно остывать в течение целой вечности.
Источник: Шон Рэймонд
Белые карлики почти такие же по массе, как Солнце, но размером всего лишь с Землю. Это дает им чрезвычайно сильную поверхностную гравитацию, и любой материал тяжелее водорода или гелия оседает из их атмосфер в сами звезды в течение нескольких дней или месяцев - в мгновение ока по астрономическим меркам.
Когда мы изучаем белые карлики, большая часть из них кажется "загрязненной": Вместо чистого спектра водорода или гелия их внешние слои загрязнены каменистым (а иногда и ледяным) материалом. Поскольку такой материал должен очень быстро оседать, он наверняка столкнулся с этими белыми карликами совсем недавно.
Белые карлики могут быть загрязнены медленной струйкой материала, падающего на их поверхность из дисков с обломками на очень близких орбитах. Эти обломки образуются из небольших тел, которые были гравитационно отброшены планетами во время и после их орбитального смещения. Поскольку белый карлик - это крошечная цель, малые тела не врезаются в звезду, а разрываются на части под действием ее гравитации, раскручивая диски камней, которые измельчаются в пыль, поскольку они вращаются очень близко к белому карлику.
Примерно через 7 миллиардов лет Солнце станет белым карликом. Земля будет либо проглочена красным гигантским солнцем, либо просто основательно испепелена. Единственным намеком на то, что бледно-голубая планета когда-то вращалась вокруг этого белого карлика, будет несколько характерных спектральных линий - своего рода кровавые следы давно погибшей планетарной системы.
Но это еще не конец. Пять (а может быть, и шесть, если Земле повезет) планет продолжат существовать и застанут Солнце в качестве белого карлика.
Пролетающая звезда вызывает динамическую нестабильность среди планет
Ничто не длится вечно (даже холодный ноябрьский дождь).
После того как Солнце превратится в белый карлик, его планетарная система станет почти вдвое больше нынешней. Не по количеству планет, конечно (прощайте планеты!), а по размерам орбит уцелевших планет. Солнце потеряет около 40 процентов своей массы, большая часть которой пойдет на создание красивой планетарной туманности на пути к превращению в белого карлика. Орбиты планет, в связи с этим расширятся примерно на 85 процентов. Орбита Нептуна расширится с 30 до 55 астрономических единиц, обозначив внешний край планет.
С этого этапа и до бесконечности все должно быть просто гладко, верно? Планеты будут двигаться по прекрасным, почти круговым орбитам вокруг белого карлика. А вот та злополучная внутренняя, хаотичная часть Солнечной системы будет поглощена Солнцем.
И только одна опасность может угрожать Солнечной системе теперь: другие звезды.
Звезды находятся вблизи друг друга только в младенчестве. В своих родовых скоплениях звезды часто пролетают относительно близко друг к другу. (Точное число зависит от размера и плотности звездного скопления). Иногда звезды пролетают так близко, что их гравитация влияет на то, что находится на орбите вокруг каждой звезды. Например, проходящая звезда может дестабилизировать самые внешние части планетарного диска другой звезды. А в некоторых случаях проходящая звезда может даже украсть очень широкоорбитальную планету. (Это возможное происхождение гипотетической Планеты 9).
Одна из моделей предполагает, что орбиты очень далеких объектов пояса Койпера были сформированы на ранних этапах истории Солнечной системы, когда какая-то звезда приблизилась к Солнцу на расстояние от нескольких сотен до тысячи астрономических единиц. (Это спорная модель.) Это типичное расстояние для близкой встречи, которую звезда, подобная Солнцу, могла бы испытать в скоплении с зарождающимися звездами. Возможно, эта встреча была самой близкой встречей Солнца, по крайней мере, с момента его рождения до превращения в белого карлика.
После того как скопления с зарождающимися звездами рассеиваются, звезды обычно находятся на большом расстоянии друг от друга. Это происходит потому, что космос очень большой. Учитывая плотность звезд в окрестностях Солнца и скорость их движения, мы можем рассчитать типичное время прохождения звезды на заданном расстоянии от Солнца. В среднем другая звезда проходит в пределах 10 000 астрономических единиц от Солнца каждые 20 миллионов лет или около того, в пределах 1 000 астрономических единиц - каждые миллиард лет, а в пределах 100 астрономических единиц - каждые 100 миллиардов лет.
Позвольте мне рассказать о фантастическом исследовании, проведенном в 2020 году Джоном Зинком, Константином Батыгиным и Фредом Адамсом, которое действительно расширило наше понимание далекого будущего Солнечной системы. Они провели 10 симуляций орбитальной эволюции Солнечной системы в течение триллиона лет, начиная с сегодняшнего дня и следуя за планетами по мере того, как Солнце становится красным гигантом, затем белым карликом и далее в далекое будущее. Возраст Большого взрыва составил всего 14 миллиардов лет, поэтому симуляции Зинка и его коллег простираются примерно в 70 раз превышая современный возраст Вселенной. Каждая симуляция представляет собой возможное будущее Солнечной системы. В данном случае будущее различается в основном в зависимости от прохождения звезд вблизи Солнца и планет.
Планетарная система испытывает сильное влияние только тогда, когда звезда проходит очень близко, в пределах от трех до пяти раз больше размеров самой широкой планетарной орбиты. При расстоянии Нептуна в 30 астрономических единиц звезда должна пройти на расстоянии около 100 астрономических единиц, чтобы оказать сильное влияние на современную Солнечную систему. Но если Нептун находится на расстоянии 55 астрономических единиц от белого карликового Солнца, то звезда, проходящая на расстоянии около 200 астрономических единиц, будет оказывать сильное влияние на планеты. Даже пролет на расстоянии 500 астрономических единиц даст Нептуну ощутимый гравитационный толчок.
В моделировании Зинка и его коллег, в течение примерно 30 миллиардов лет звезда пройдет в пределах нескольких сотен астрономических единиц, что вызовет динамическую нестабильность. Это будет гораздо более сильная нестабильность, чем та, которая произошла в начале истории Солнечной системы, поскольку она будет включать гравитационное рассеяние между Юпитером и Сатурном. Вместо относительно мягкого разлета орбит планет-гигантов это будет выглядеть как динамическая неустойчивость, которая, по мнению астрофизиков, является обычным явлением для систем гигантских экзопланет.
Эта динамическая нестабильность приведет к отходу от своих орбит всех оставшихся планет, кроме одной. Гравитационные столкновения между планетами дадут каждой планете (кроме одной) достаточно орбитальной энергии, чтобы быть запущенными в межзвездное пространство и стать свободно витающими планетами. В большинстве симуляций Зинка Юпитер оставался последней планетой, выживая на вытянутой орбите, похожей на орбиты гигантских экзопланет.
В результате Солнечная система будет состоять только из белого карликового Солнца и Юпитера. Это весьма уместно, поскольку, если бы мы искали солнечные системы вокруг близких к нам звезд, похожих на Солнце, используя современные технологии, Юпитер все еще оставался бы единственной планетой Солнечной системы, которую можно было бы обнаружить (на данный момент).
Близкий проход звезды лишает Солнце последней планеты
Как у каждой веревки есть точка разрыва, так и любая планета может быть оторвана от своей звезды, если другая звезда будет проходить достаточно близко.
На этом этапе Юпитер, последняя планета Солнечной системы, будет находиться на широкой, вытянутой орбите.
Далекие пролеты звезд тоже могут мягко подтолкнуть Юпитер к сходу со своей орбиты, но эффект очень редких, очень близких столкновений на самом деле является преобладающим. В симуляциях Цинка нужно ждать около 100 миллиардов лет, чтобы звезда прошла на расстоянии около 200 астрономических единиц. Звезда дает Юпитеру гравитационную энергию, необходимую ему для того, чтобы сбежать от белого карликового солнца и больше никогда не возвращаться. (В симуляциях Цинка время выброса последней планеты варьировалось от примерно 40 миллиардов лет до чуть более 300).
Когда весь процесс завершится, пять или шесть из восьми первоначальных планет Солнца будут по-прежнему существовать, просто не будут вращаться вокруг Солнца. Эти планеты выживут как свободно плавающие, или "планеты-изгои" (остальные две или три планеты были поглощены во время фазы красного гиганта). Конечно, эти планеты будут не одиноки: Количество свободно витающих планет будет постоянно расти, поскольку многие другие звезды теряют свои планеты в межзвездном пространстве.
Так наступит конец Солнечной системы. На этом все заканчивается. Надеюсь, вам понравилась эта история.
Шон Реймонд - американский астрофизик, работающий в Астрофизической лаборатории Бордо во Франции. Он также ведет блог на стыке науки и фантастики (planetplanet.net) и недавно опубликовал книгу стихов по астрономии.
Когда мы изучаем белые карлики, большая часть из них кажется "загрязненной": Вместо чистого спектра водорода или гелия их внешние слои загрязнены каменистым (а иногда и ледяным) материалом. Поскольку такой материал должен очень быстро оседать, он наверняка столкнулся с этими белыми карликами совсем недавно.
Белые карлики могут быть загрязнены медленной струйкой материала, падающего на их поверхность из дисков с обломками на очень близких орбитах. Эти обломки образуются из небольших тел, которые были гравитационно отброшены планетами во время и после их орбитального смещения. Поскольку белый карлик - это крошечная цель, малые тела не врезаются в звезду, а разрываются на части под действием ее гравитации, раскручивая диски камней, которые измельчаются в пыль, поскольку они вращаются очень близко к белому карлику.
Примерно через 7 миллиардов лет Солнце станет белым карликом. Земля будет либо проглочена красным гигантским солнцем, либо просто основательно испепелена. Единственным намеком на то, что бледно-голубая планета когда-то вращалась вокруг этого белого карлика, будет несколько характерных спектральных линий - своего рода кровавые следы давно погибшей планетарной системы.
Но это еще не конец. Пять (а может быть, и шесть, если Земле повезет) планет продолжат существовать и застанут Солнце в качестве белого карлика.
Пролетающая звезда вызывает динамическую нестабильность среди планет
Ничто не длится вечно (даже холодный ноябрьский дождь).
После того как Солнце превратится в белый карлик, его планетарная система станет почти вдвое больше нынешней. Не по количеству планет, конечно (прощайте планеты!), а по размерам орбит уцелевших планет. Солнце потеряет около 40 процентов своей массы, большая часть которой пойдет на создание красивой планетарной туманности на пути к превращению в белого карлика. Орбиты планет, в связи с этим расширятся примерно на 85 процентов. Орбита Нептуна расширится с 30 до 55 астрономических единиц, обозначив внешний край планет.
С этого этапа и до бесконечности все должно быть просто гладко, верно? Планеты будут двигаться по прекрасным, почти круговым орбитам вокруг белого карлика. А вот та злополучная внутренняя, хаотичная часть Солнечной системы будет поглощена Солнцем.
И только одна опасность может угрожать Солнечной системе теперь: другие звезды.
Звезды находятся вблизи друг друга только в младенчестве. В своих родовых скоплениях звезды часто пролетают относительно близко друг к другу. (Точное число зависит от размера и плотности звездного скопления). Иногда звезды пролетают так близко, что их гравитация влияет на то, что находится на орбите вокруг каждой звезды. Например, проходящая звезда может дестабилизировать самые внешние части планетарного диска другой звезды. А в некоторых случаях проходящая звезда может даже украсть очень широкоорбитальную планету. (Это возможное происхождение гипотетической Планеты 9).
Одна из моделей предполагает, что орбиты очень далеких объектов пояса Койпера были сформированы на ранних этапах истории Солнечной системы, когда какая-то звезда приблизилась к Солнцу на расстояние от нескольких сотен до тысячи астрономических единиц. (Это спорная модель.) Это типичное расстояние для близкой встречи, которую звезда, подобная Солнцу, могла бы испытать в скоплении с зарождающимися звездами. Возможно, эта встреча была самой близкой встречей Солнца, по крайней мере, с момента его рождения до превращения в белого карлика.
После того как скопления с зарождающимися звездами рассеиваются, звезды обычно находятся на большом расстоянии друг от друга. Это происходит потому, что космос очень большой. Учитывая плотность звезд в окрестностях Солнца и скорость их движения, мы можем рассчитать типичное время прохождения звезды на заданном расстоянии от Солнца. В среднем другая звезда проходит в пределах 10 000 астрономических единиц от Солнца каждые 20 миллионов лет или около того, в пределах 1 000 астрономических единиц - каждые миллиард лет, а в пределах 100 астрономических единиц - каждые 100 миллиардов лет.
Позвольте мне рассказать о фантастическом исследовании, проведенном в 2020 году Джоном Зинком, Константином Батыгиным и Фредом Адамсом, которое действительно расширило наше понимание далекого будущего Солнечной системы. Они провели 10 симуляций орбитальной эволюции Солнечной системы в течение триллиона лет, начиная с сегодняшнего дня и следуя за планетами по мере того, как Солнце становится красным гигантом, затем белым карликом и далее в далекое будущее. Возраст Большого взрыва составил всего 14 миллиардов лет, поэтому симуляции Зинка и его коллег простираются примерно в 70 раз превышая современный возраст Вселенной. Каждая симуляция представляет собой возможное будущее Солнечной системы. В данном случае будущее различается в основном в зависимости от прохождения звезд вблизи Солнца и планет.
Планетарная система испытывает сильное влияние только тогда, когда звезда проходит очень близко, в пределах от трех до пяти раз больше размеров самой широкой планетарной орбиты. При расстоянии Нептуна в 30 астрономических единиц звезда должна пройти на расстоянии около 100 астрономических единиц, чтобы оказать сильное влияние на современную Солнечную систему. Но если Нептун находится на расстоянии 55 астрономических единиц от белого карликового Солнца, то звезда, проходящая на расстоянии около 200 астрономических единиц, будет оказывать сильное влияние на планеты. Даже пролет на расстоянии 500 астрономических единиц даст Нептуну ощутимый гравитационный толчок.
В моделировании Зинка и его коллег, в течение примерно 30 миллиардов лет звезда пройдет в пределах нескольких сотен астрономических единиц, что вызовет динамическую нестабильность. Это будет гораздо более сильная нестабильность, чем та, которая произошла в начале истории Солнечной системы, поскольку она будет включать гравитационное рассеяние между Юпитером и Сатурном. Вместо относительно мягкого разлета орбит планет-гигантов это будет выглядеть как динамическая неустойчивость, которая, по мнению астрофизиков, является обычным явлением для систем гигантских экзопланет.
Эта динамическая нестабильность приведет к отходу от своих орбит всех оставшихся планет, кроме одной. Гравитационные столкновения между планетами дадут каждой планете (кроме одной) достаточно орбитальной энергии, чтобы быть запущенными в межзвездное пространство и стать свободно витающими планетами. В большинстве симуляций Зинка Юпитер оставался последней планетой, выживая на вытянутой орбите, похожей на орбиты гигантских экзопланет.
В результате Солнечная система будет состоять только из белого карликового Солнца и Юпитера. Это весьма уместно, поскольку, если бы мы искали солнечные системы вокруг близких к нам звезд, похожих на Солнце, используя современные технологии, Юпитер все еще оставался бы единственной планетой Солнечной системы, которую можно было бы обнаружить (на данный момент).
Близкий проход звезды лишает Солнце последней планеты
Как у каждой веревки есть точка разрыва, так и любая планета может быть оторвана от своей звезды, если другая звезда будет проходить достаточно близко.
На этом этапе Юпитер, последняя планета Солнечной системы, будет находиться на широкой, вытянутой орбите.
Далекие пролеты звезд тоже могут мягко подтолкнуть Юпитер к сходу со своей орбиты, но эффект очень редких, очень близких столкновений на самом деле является преобладающим. В симуляциях Цинка нужно ждать около 100 миллиардов лет, чтобы звезда прошла на расстоянии около 200 астрономических единиц. Звезда дает Юпитеру гравитационную энергию, необходимую ему для того, чтобы сбежать от белого карликового солнца и больше никогда не возвращаться. (В симуляциях Цинка время выброса последней планеты варьировалось от примерно 40 миллиардов лет до чуть более 300).
Когда весь процесс завершится, пять или шесть из восьми первоначальных планет Солнца будут по-прежнему существовать, просто не будут вращаться вокруг Солнца. Эти планеты выживут как свободно плавающие, или "планеты-изгои" (остальные две или три планеты были поглощены во время фазы красного гиганта). Конечно, эти планеты будут не одиноки: Количество свободно витающих планет будет постоянно расти, поскольку многие другие звезды теряют свои планеты в межзвездном пространстве.
Так наступит конец Солнечной системы. На этом все заканчивается. Надеюсь, вам понравилась эта история.
Шон Реймонд - американский астрофизик, работающий в Астрофизической лаборатории Бордо во Франции. Он также ведет блог на стыке науки и фантастики (planetplanet.net) и недавно опубликовал книгу стихов по астрономии.
Nautilus | США | 17 сентября 2022 | Оригинал статьи