Кипящие океаны и падающее небо. Как погибнет Солнечная система

Наша Солнечная система неизбежно погибнет. Для этого потребуется некоторое время. В течение нескольких миллиардов лет произойдет ряд печальных событий — как не очень значительных, так и поистине катастрофических. После этого Солнечная система исчезнет: все планеты будут уничтожены, а Солнце превратится в одинокого белого карлика.

(Сделаем небольшую паузу, чтобы вытереть слезы).

Итак, я буду вашим гидом по грядущему апокалипсису. Если коротко, нашу система пройдет через следующие пять этапов:

1. Океаны испарятся.
2. Орбиты каменистых планет могут стать нестабильными, что чревато их столкновением.
3. Солнце станет красным гигантом и поглотит каменистые планеты.
4. Проходящая мимо звезда вызовет динамическую нестабильность среди оставшихся планет.
5. Проходящая мимо звезда уничтожит последнюю планету в солнечной системе.

Каждое из этих событий произойдет почти наверняка, за исключением пункта 2 — его реализация маловероятна. Но потребуется около 100 миллиардов лет, чтобы достичь пункта 5.

Так начнем же!

1. На Земле исчезнут жидкость и жизнь

Солнце медленно нагревается. Сегодня оно примерно на 30% ярче, чем сразу после своего образования. По мере того как внутри солнечного ядра водород превращается в гелий, средняя молекулярная масса звезды увеличивается, увеличивая тем самым температуру ядра и скорость реакции синтеза (называемой протонной цепью). Это медленно увеличивает выработку Солнцем энергии.

Жизнь, какой мы ее знаем, требует жидкой воды. Чтобы поддерживать количество жидкой воды на поверхности планеты в нужном объеме, должен существовать баланс между поступающей и выходящей энергией — лишь в этом случае сохраняется правильный температурный диапазон.

Энергетический баланс всегда настраивается сам по себе. Если количество парниковых газов в атмосфере Земли увеличивается (как это происходит сегодня), подобный эффект «укрытия одеялом» создает новый энергетический баланс, ведущий к повышению температуры.

На Земле есть встроенный термостат — карбонатно-силикатный цикл, который регулирует количество углекислого газа в атмосфере, поддерживая таким образом стабильный климат. Увы, работает он на масштабах миллионов лет — слишком медленно, чтобы помочь нам с текущей проблемой глобального потепления.

Другой причина нагревания планеты — увеличение количества поступающей энергии из-за увеличения яркости солнца. И хотя существуют гораздо более краткосрочные колебания климата Земли в зависимости от времен года, изменений состава атмосферы (как от антропогенных парниковых газов, так и от вулканической пыли) и циклов Миланковича, поверхность Земли медленно, но неумолимо нагревается.

В какой-то момент атмосфера нашей планеты больше не сможет поддерживать стабильный энергетический баланс, и парниковый эффект перейдет в фазу безудержного роста. Для парникового эффекта существует петля положительной обратной связи. Поверхность планеты становится более горячей, что приводит к испарению большего количества воды в атмосферу. Вода является сильным парниковым газом, поэтому этот процесс увеличивает силу парникового эффекта, который еще больше нагревает поверхность планеты.

Как только парниковый эффект прекратится, он нагреет поверхность Земли до такой степени, что океаны полностью испарятся. Планета просто будет становится все горячее, пока не наступит новый баланс, с обжигающе горячей поверхностью и водой, полностью испарившейся в атмосферу (вероятно, это будет вода в «сверхкритическом» состоянии, где стирается грань между жидкостью и газом). Вблизи поверхности Земли будет больше водяного пара, но жидкого океана не будет.

2. Орбиты каменистых планет дестабилизируются и, возможно, пересекутся

Орбиты планет нестабильны. В математическом смысле это означает, что мы не можем предсказать их точное положение в отдаленном будущем (через примерно 10–100 миллионов лет).

Компьютеры могут помочь нам спрогнозировать эволюцию орбит, хотя и с известной долей вероятности. Используя коды, разработанные специально для отслеживания орбит во времени, мы можем смоделировать множество возможных вариантов будущего Солнечной системы.

Некоторые расчеты показывают, что орбита Меркурия станет чрезвычайно вытянутой или эксцентричной. Это может произойти, если Меркурий войдет в «вековой резонанс» с Юпитером. Резонанс выравнивает орбиты двух планет, что приводит к постепенному удлинению орбиты Меркурия.

Как только орбита Меркурия станет настолько вытянутой, что пересечет орбиту Венеры, могут произойти самые безумные вещи. Меркурий может подойти так близко к Солнцу, что оно его поглотит.

Также существует вероятность, что Меркурий столкнется с Венерой. Возможно, самый драматичный вариант, который мы можем смоделировать, заключается в том, что Меркурий изменит орбиты других каменистых планет до такой степени, что вызовет столкновение между Землей и Марсом.

Какова вероятность того, что это произойдет? Действительно ли Земля столкнется с Марсом через 3 миллиарда лет? Самое тщательное исследование на сегодняшний день показало, что Меркурий войдет в резонанс с Юпитером в ближайшие 5 миллиардов лет с вероятность 1%. И даже если это произойдет, вероятность столкновения Меркурия с Землей невелика. Больше шансов, что Меркурий просто упадет на Солнце или столкнется с Венерой.

Другими словами, с вероятностью 99% орбиты каменистых планет будут продолжать вращаться вокруг Солнца как обычно, по крайней мере, до тех пор, пока само Солнце не начнет меняться…

Солнце превратится в красного гиганта, поглотит ближайшие планеты и станет белым карликом.

Солнце пробудет красным гигантом около полумиллиарда лет. Его яркость увеличится, смещая обитаемую зону — в нее войдут Юпитер и Сатурн. Во время этой фазы на поверхностях больших спутников, вращающихся вокруг планет-гигантов, может появиться жидкая вода. Многие из этих спутников содержат большое количество воды в своих недрах. Ганимед, самый большой спутник Солнечной системы, имеет массу примерно в сорок раз меньше, чем Земля, но считается, что он примерно наполовину состоит из воды! Таким образом, водный потенциал Ганимеда значительно превосходит земной, поскольку наша планета состоит из воды всего на 1/1000 своей массы. Примерно через семь миллиардов лет Ганимед превратится в настоящую океаническую луну.

Орбиты планет будут приспосабливаться к меняющемуся Солнцу. Когда Солнце станет красным гигантом, оно поглотит внутренние планеты. По мере того как Солнце будет терять массу из-за мощных ветров, исходящих с его поверхности, и его гравитация будет слабеть, орбиты удаленных от Солнца планет станут расширяться.

Солнце расширится примерно в сто раз и будет простираться примерно до нынешней орбиты Земли. Наша планета находится на грани: мы не знаем, будет ли она поглощена Солнцем или выйдет на большую орбиту.

Тем временем ядро Солнца будет сжиматься до тех пор, пока повышенные температура и давление не позволят синтезировать гелий. Произойдет несколько вспышек, затем Солнце сбросит свои внешние слои в виде «планетарной туманности» (которая не имеет ничего общего с планетами — это просто старое название, которое прижилось). От Солнца останется лишь ядро, маленький белый карлик, который затем будет остывать целую вечность.

Белые карлики весят почти столько же, сколько Солнце, но размером они примерно с Землю. Из-за этого у них чрезвычайно высокая гравитация, и любой материал тяжелее водорода или гелия оседает в их атмосфере за несколько дней или месяцев — астрономическое мгновение ока.

Когда мы смотрим на белых карликов, большая часть из них кажется «загрязненной»: мы не видим спектры чистого водорода или гелия, поскольку их внешние слои загрязнены каменистым (а иногда и оледенелым) веществом. Белые карлики могут быть загрязнены веществом, падающим в виде обломков с близлежащих орбит. Обломки происходят от небольших тел, которые были сброшены планетами во время их орбитального сдвига. Поскольку белый карлик — крошечная мишень, маленькие тела не врезаются в звезду, а разрываются на части гравитацией, образуя диски из камней, которые превращаются в пыль, когда они вращаются очень близко к белому карлику.

Примерно через 7 миллиардов лет Солнце превратится в белого карлика. Земля будет либо поглощена красным гигантским Солнцем, либо просто основательно поджарена. При взгляде со стороны единственным намеком на то, что бледно-голубая точка когда-то вращалась вокруг этого белого карлика, будут несколько характерных спектральных линий — своего рода брызги крови от давно умершей планеты.

Но это еще не конец. Пять (или, может быть, шесть, если Земле повезет) планет выживут, чтобы лицезреть Солнце в виде белого карлика.

3. Проходящая мимо звезда вызовет динамическую нестабильность среди планет

Ничто не длится вечно (даже холодный ноябрьский дождь).

После того, как Солнце превратится в белого карлика, его планетная система станет почти в два раза больше, чем сейчас. Не с точки зрения количества планет, конечно (прощайте, внутренние каменистые планеты), а с точки зрения размеров орбит выживших планет. Солнце потеряет около 40% своей массы, большая часть которой создаст красивую планетарную туманность. Орбиты планет в ответ расширятся примерно на 85%. Орбита Нептуна вырастет с 30 примерно до 55 астрономических единиц, обозначив внешний край планет.

Вновь установившейся стабильности будут теперь угрожать лишь другие звезды.

Звезды проводят много времени рядом друг с другом только в младенчестве. В новорожденных скоплениях звезды часто проходят относительно близко друг к другу. (Точное число зависит от размера и плотности кластера рождения). Иногда звезды проходят так близко, что их гравитация влияет на то, что находится на орбите вокруг другой звезды. Например, проходящая мимо звезда может дестабилизировать самые отдаленные части планетообразующего диска другой звезды. А в некоторых случаях проходящая мимо звезда может даже украсть планету с очень широкой орбитой. (Это возможное происхождение гипотетической планеты номер 9.)

Одна из моделей предполагает, что орбиты очень удаленных объектов в поясе Койпера формировались на ранних этапах развития Солнечной системы, когда звезда находилась на расстоянии от нескольких сотен до тысячи астрономических единиц от Солнца. (Это модель вызывает споры.) Это типичное расстояние для встречи, которая могла бы случится со звездой, подобной Солнцу.

Как только родовые скопления рассеиваются, звезды обычно остаются далеко друг от друга. Это происходит потому, что космос действительно очень большой. Учитывая плотность звезд в окрестностях Солнца и то, как быстро они движутся, мы можем рассчитать время, необходимое звезде, чтобы пройти на определенном расстоянии от Солнца. В среднем другая звезда проходит в пределах 10000 астрономических единиц от Солнца каждые 20 миллионов лет или около того, в пределах 1000 астрономических единиц каждые миллиард лет и в пределах 100 астрономических единиц каждые 100 миллиардов лет.

Позвольте мне рассказать про фантастическое исследование 2020 года за авторством Джона Цинка, Константина Батыгина и Фреда Адамса — оно действительно углубило наше понимание далекого будущего Солнечной системы. Ученые смоделировали десять вариантов орбитальной эволюции Солнечной системы в течение следующего триллиона лет. Большой взрыв произошел всего лишь 14 миллиардов лет назад, поэтому расчеты Цинка и его коллег охватывают период, примерно в 70 раз превышающий нынешний возраст Вселенной. Десять созданных моделей отличаются друг от друга, главным образом, с точки зрения прохождения звезд вблизи Солнца и планет.

Планетарная система подвергается сильному воздействию лишь в том случае, когда звезда проходит очень близко — в пределах, превышающих размер самой большой планетарной орбиты в три-пять раз. Поскольку Нептун находится на расстоянии 30 астрономических единиц от Солнца, звезде необходимо было бы пройти в пределах примерно 100 астрономических единиц, чтобы оказать достаточное влияние на Солнечную систему. Но поскольку Нептун будет находиться на расстоянии 55 астрономических единиц от Солнца, когда оно станет белым карликом, звезда, проходящая в пределах около 200 астрономических единиц, несомненно окажет сильное влияние на планеты. Даже пролет на расстоянии 500 астрономических единиц даст Нептуну заметный гравитационный толчок.

Согласно моделям Цинка и его коллег, примерно за 30 миллиардов лет другая звезда пройдет в пределах нескольких сотен астрономических единиц от Солнечной системы и вызовет динамическую нестабильность. Это будет гораздо более сильная нестабильность, чем та, которая произошла в начале зарождения Солнечной системы. Вместо относительно плавного расширения орбит планет-гигантов это будет выглядеть как динамическая нестабильность, которая, по мнению астрофизиков, является обычным явлением среди систем гигантских экзопланет (и которая часто разрушает их каменистые планеты):

Эта динамическая нестабильность выбросит все оставшиеся планеты, кроме одной. Гравитационные толчки между планетами дадут каждой планете (кроме одной) достаточно орбитальной энергии для запуска в межзвездное пространство, где они станутся планетами, отравившимися в свободный полет. В большинстве симуляций Цинка Юпитер был последней устоявшей планетой, вращающейся на вытянутой орбите, подобной орбитам гигантских экзопланет.

С этого момента Солнечная система будет состоять лишь из белого карлика, которого когда-то называли Солнцем, и Юпитера.

4. Проходящая мимо звезда уничтожит последнюю планету в Солнечной системе

Подобно тому, как у каждой веревки есть точка разрыва, любая планета может быть оторвана от своей звезды, если другая звезда пройдет достаточно близко.

В этом случае Юпитер, последняя планета Солнечной системы, будет находиться на широкой, вытянутой орбите.

Другие звезды могут подтолкнуть Юпитер к отрыву, но на самом деле решающую роль сыграет эффект очень редких и очень близких столкновений. В соответствии с моделями Цинка нужно подождать около 100 миллиардов лет, чтобы звезда прошла на расстоянии примерно 200 астрономических единиц от Юпитера. Звезда придаст Юпитеру гравитационную энергию, необходимую для того, чтобы сбежать от белого карликового Солнца и никогда не вернуться. (Расчеты Цинка показали временной диапазон побега последней планеты в Солнечной системе — этого нужно ждать не раньше, чем через 40 миллиардов лет, но не позже, чем через 300 с небольшим миллиардов лет.)

Когда все закончится, пять или шесть из восьми первоначальных планет Солнечной системы еще будут целыми, просто они будут летать неизвестно где. Эти планеты останутся как свободно плавающие планеты, или «сироты» (две или три другие будут поглощены во время фазы красного гиганта). Конечно, эти планеты не останутся в одиночестве: количество свободно плавающих планет будет постоянно увеличиваться, поскольку многие другие звезды также потеряют свои планеты в межзвездном пространстве.

Так закончится история Солнечной системы. Я надеюсь, вам понравилась эта история.