Солнечная система может распасться в миллиард раз раньше, чем предполагалось

Фото из открытых источников

Новое исследование утверждает, что Солнце сбросит свои внешние слои примерно в 4600 асимметричных вспышках, а не в виде легкого ветерка. Каждая вспышка будет слегка задевать гигантские планеты, нарушая их орбиты и сокращая ожидаемый срок жизни нынешнего состава планет в миллиард раз.

На протяжении более трех столетий астрономы, задававшиеся вопросом о стабильности Солнечной системы, получали все более утешительные ответы. Исаак Ньютон не был так уверен. Он подозревал, что взаимное притяжение Юпитера и Сатурна в конечном итоге разрушит планетарный порядок, и что предотвратить это может только божественное вмешательство.

К концу 1700-х годов Лаплас и Лагранж ответили ему математическими расчетами. Они показали, что эти «притяжения» не меняют размер орбит, а лишь заставляют их форму колебаться. Компьютерные модели последних десятилетий добавили некоторые нюансы для внутренних планет (у Меркурия примерно 1% шанс быть дестабилизированным до того, как у Солнца закончится топливо). Но они оставили четыре гиганта — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун — в безопасности примерно на квинтиллион лет. Это единица с 18 нулями, или примерно в 72 миллиона раз больше нынешнего возраста Вселенной, который составляет около 13,8 миллиарда лет.

Исследование, опубликованное в The Astrophysical Journal Letters, нарушает это спокойствие. Его авторами являются Константин Батыгин и Джим Фуллер из Калифорнийского технологического института, а также Фред Адамс из Мичиганского университета. В своих моделях они показали, что продолжительность жизни нынешнего расположения гигантских планет сокращается с квинтиллиона лет до примерно миллиарда лет после того, как Солнце превращается в белый карлик — небольшое плотное ядро, которое оставляет после себя звезда, подобная нашей, после того, как у неё заканчивается топливо.

Авторы подводят итог фразой, которая перекликается с началом этой истории. Ньютон был прав, утверждая, что планетарный порядок смертен. Он просто обвинил не того человека. Виновником оказался бы не медленный гул хаоса между планетами или пролетающая мимо звезда, а само Солнце.

Классические модели гибели Солнца предполагают, что оно будет терять массу плавно. Примерно через 5 миллиардов лет оно раздуется до красного гиганта — раздутой, более холодной версии самого себя. Между этой стадией и стадией белого карлика оно потеряет около 46% своей массы, в итоге составив примерно 54% от своей сегодняшней массы.

При уменьшении массы гравитация Солнца удерживает планеты менее прочно, и их орбиты расширяются в 1,85 раза, почти вдвое. Нептун, который сейчас вращается на расстоянии около 4,5 миллиардов километров от Солнца, сместится примерно на 8,3 миллиарда километров. Если потеря массы происходит плавно, все увеличивается пропорционально, и система становится увеличенной копией нынешней. Авторы подтвердили это с помощью более чем 60 моделирований. Все они оставались стабильными.

Наблюдения указывают на то, что происходит нечто иное. Измерения, проведенные космическим телескопом Gaia при наблюдении за широкими парами звезд (двумя звездами, вращающимися друг вокруг друга на большом расстоянии), показывают, что новообразованные белые карлики улетают с дополнительной скоростью около 0,75 километров в секунду. Это примерно 2700 км/ч, что более чем в два раза превышает скорость звука. Постоянный, симметричный ветер не может толкать звезду таким образом, поэтому газ должен улетать неравномерно.

Согласно статье, набирающее популярность объяснение заключается в том, что внешний слой красного гиганта отслаивается отдельными скоплениями. Они выбрасываются пульсациями звезды и конвекцией — пузырьками горячего газа внутри неё. Другие эволюционировавшие звёзды, наблюдаемые с помощью интерферометрии (метода, объединяющего несколько телескопов для различения мельчайших деталей), кажутся окружёнными отдельными, изменяющимися облаками пыли. Каждый выброс вызывает небольшую отдачу Солнца, подобно развязанному воздушному шару, который слетает, опустошая его, за исключением того, что здесь толчок очень слабый и каждый раз направлен в другую сторону.

В рассматриваемом исследователями варианте каждый сгусток несет около 0,0001 солнечной массы, что эквивалентно примерно 33 Землям или двум Нептунам. Для того чтобы сбросить 46% массы Солнца, требуется около 4600 таких сгустков. Каждый выброс сдвигает Солнце на несколько метров в секунду (в среднем 7 м/с, около 16 миль в час). Сам по себе это ничто. Но направления скачков случайны, и каждый толчок затрагивает планеты в разных точках их орбит, поэтому эффекты не компенсируют друг друга. Они накапливаются, подобно шагам человека, блуждающего без определенного направления, который в итоге оказывается далеко от начальной точки, хотя каждый шаг короткий.

Команда также обнаружила, что необходимы оба компонента. Если выбросы происходят в случайные моменты, но идеально симметричны, ничего не происходит, и система остается стабильной на протяжении всех 3 миллиардов лет моделирования. Выбросы должны быть как прерывистыми, так и неравномерными.

В результате получается Солнечная система, которую трудно распознать. Орбита Нептуна может измениться от почти круговой до вытянутого эллипса (эксцентриситет до 0,5, в масштабе, где 0 — идеальный круг). Плоскости, в которых вращаются планеты, наклоняются на несколько градусов. И четкие соотношения между периодами обращения планет, которые остаются неизменными в гладкой модели, нарушаются.

В версии модели, которая распределяет выбросы по всей фазе гиганта, орбиты пересекаются еще до того, как Солнце завершит потерю массы, более чем в трех четвертях эталонных симуляций. Первое пересечение происходит, когда Солнце еще является красным гигантом. К моменту рождения белого карлика примерно четыре из десяти систем уже распались или подверглись сильному рассеиванию планет. Смоделированные результаты включают выброс Сатурна в течение нескольких миллионов лет, обмен местами Урана и Нептуна, а также планеты, ближайшее сближение которых с Солнцем происходит внутри орбиты Юпитера.

Системы, пережившие конец потери массы, также не являются безопасными. Авторы отслеживали каждое моделирование в течение еще 3 миллиардов лет, при этом ни одна звезда не проходила поблизости. Доля нестабильных систем возрастает до 83% в осторожной версии модели, которая учитывает выбросы только на заключительном этапе существования звезды в качестве гиганта, и до 96% в другой. В аннотации к статье указано около 90% в целом. Первые катастрофы происходят в течение нескольких миллионов лет после рождения белого карлика, а последние занимают более 2,5 миллиардов лет. В осторожной версии медиана составляет около 40 миллионов лет. Эта версия не производит распадов во время фазы красного гиганта, но в итоге приводит к тому же результату.

Наилучшим показателем того , кто выживет, является свободное пространство между соседними планетами после завершения процесса. Планеты, оставшиеся плотно расположенными друг к другу, почти никогда не выживают. Те, у которых сохраняется некоторое свободное пространство, в большинстве случаев выживают.

Всё это меняет картину угроз для системы. Ранее считалось, что наибольшую опасность представляют пролетающие мимо звёзды, которые, по оценкам, разрушат Солнечную систему за 30–100 миллиардов лет. Согласно новому сценарию, они прибудут слишком поздно. Солнечная система будет уничтожена примерно в сто раз быстрее, чем пройдёт время до первого разрушительного столкновения звёзд.

Шум также порождает любопытные явления. Иногда две планеты оказываются в синхронном танце, называемом резонансом, в котором их орбитальные периоды поддерживают соотношение малых целых чисел. Юпитер и Сатурн могут оказаться в резонансе 5:2 (пять оборотов Юпитера на каждые два оборота Сатурна), а Уран и Нептун — в резонансе 2:1. При промежуточном размере выброса вероятность захвата составляет примерно от одного к шести до одного к пяти. В нескольких симуляциях обе пары были захвачены одновременно — конфигурация, которой Солнечная система никогда не имела. Но резонанс не обеспечивает укрытия. При больших выбросах захваченные системы выживают несколько реже, чем остальные (примерно один к трем против почти одного к двум), и авторы описывают этот разрыв как не более чем тенденцию.

Почти каждая звезда в конечном итоге превратится в белый карлик, поэтому теоретически этот механизм может повлиять почти на все планетные системы . Авторы утверждают, что планеты меньшей массы, которые являются наиболее распространенным типом, будут еще более хрупкими, чем газовые гиганты Солнечной системы. В результате сотрясения системы планеты будут выбрасываться в межзвездное пространство через несколько миллионов лет после образования белого карлика, подпитывая популяцию блуждающих планет, дрейфующих без звезды.

Эта работа основана на недавней статье Александра Стефана и Кейвана Стассуна, которые показали, что один-единственный финальный толчок уже дестабилизирует обширные системы. Разложив этот толчок на тысячи более мелких, команда Батыгина обнаружила, что половина нестабильностей происходит еще до образования белого карлика, и что в целом нестабильностью оказывается больше систем.

Это также согласуется с другими результатами исследований. Газовый гигант, вращающийся очень близко к белому карлику WD 1856+534, обнаруженному в 2020 году, можно интерпретировать как результат рассеяния между планетами. А «загрязненные» белые карлики, атмосферы которых содержат следы металлов, питаются в основном каменистыми телами, что соответствует наблюдаемому составу.

В статье также исправлен один из более ранних результатов авторов. В 2020 году Джон Зинк, Батыгин и Адамс сообщили, что Юпитер и Сатурн оказались в ловушке резонанса 5:2 даже при плавной потере массы. Теперь команда не может воспроизвести этот результат и объясняет расхождение вероятной ошибкой в обработке координат в одной из точек моделирования.

Всё зависит от числа, которое никто не измерял напрямую: сколько массы покидает каждый выброс. Если бы каждый сгусток был в тысячу раз меньше, чем в эталонном случае, или даже меньше, система оставалась бы почти увеличенной копией современной. Авторы утверждают, что сила толчка, наблюдаемая у белых карликов, даже при самой низкой оценке в 0,25 км/с, требует наличия сгустков массой не менее 0,00002 солнечных масс (примерно 7 масс Земли) в модели, охватывающей всю фазу гигантов. Это уже попадает в режим бурного роста.

Концепция эпизодических выбросов — это относительно недавнее предложение, выдвинутое Фуллером в 2026 году. Расширение модели выбросов на всю фазу красных гигантов — это предположение авторов, которые признают, что модель лучше откалибрована для заключительного этапа, поэтому они представляют оба варианта. Моделирование также предполагает, что выбросы независимы и случайны по направлению, и включает только четыре планеты-гиганта. В исследовании ничего не говорится о Земле или других каменистых планетах.

Авторы отмечают, что состояние планетных систем, уже вращающихся вокруг белых карликов, однажды может послужить своего рода летописью того, насколько фрагментированной была гибель их звезды. До тех пор остается только гадать, действительно ли Солнце покинет Землю в результате нескольких тысяч толчков.