Сегодня орбиты Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна кажутся почти неизменными. Но что произойдёт, когда Солнце состарится, превратится в красного гиганта и начнёт терять внешние слои? Новое исследование предполагает, что планеты-гиганты могут потерять привычные орбиты намного раньше прежних прогнозов. Причиной станет не встреча с другой звездой, а само умирающее Солнце.
Константин Батыгин и Джим Фуллер из Калифорнийского технологического института вместе с Фредом Адамсом из Мичиганского университета исследовали далёкое будущее Солнечной системы. Их работа опубликована в The Astrophysical Journal Letters. Авторы соединили модель старения Солнца с расчётами движения планет и проверили устойчивость внешней части системы при разных способах потери солнечной массы.
Планеты движутся по орбитам благодаря притяжению Солнца. Когда звезда теряет вещество, её гравитационное влияние ослабевает, и орбиты расширяются. Если процесс идёт плавно, планеты отдаляются, сохраняя привычный порядок. Согласно использованной модели, Солнце в итоге оставит белый карлик массой около 54% нынешней, а размеры орбит увеличатся примерно в 1,85 раза.
Именно плавную потерю массы закладывали в прежние прогнозы. В таких условиях система планет-гигантов могла оставаться устойчивой чрезвычайно долго. Для разрушения орбит вследствие собственной хаотической динамики называли сроки порядка квинтиллиона лет. С учётом встреч с пролетающими звёздами ожидание сокращалось до десятков миллиардов лет после превращения Солнца в белый карлик.
Но оболочка стареющей звезды может уходить не равномерным потоком, а отдельными несимметричными порциями. Каждый выброс немного толкает звёздное ядро в противоположную сторону — подобно отдаче при выбросе вещества. Такие толчки малы, однако их направление и момент возникновения меняются. Тысячи случайных смещений способны накопиться и расстроить согласованное движение планет.
Поводом рассмотреть этот сценарий стали наблюдения молодых белых карликов, которые иногда получают дополнительную скорость. Один из возможных механизмов — несимметричный сброс оболочки их звёздами-предшественниками. Это не означает, что будущие выбросы нашего Солнца уже измерены или точно предсказаны. Исследователи проверяли, что произойдёт, если подобный механизм окажется характерен и для него.
Команда рассчитала 672 варианта эволюции с разными размерами порций выбрасываемого вещества и сроками их появления. В каждом случае отслеживались Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Затем получившиеся системы моделировали ещё три миллиарда лет после образования белого карлика. Контрольные расчёты с плавной потерей массы показали гораздо более устойчивую картину.
Результаты оказались резкими, но зависели от условий. При характерном размере выбросов за три миллиарда лет нестабильность возникала в 96% вариантов, где несимметричная потеря массы действовала на всех стадиях гигантской эволюции. Если выбросы начинались только на поздней стадии, доля снижалась до 83%. Эти проценты относятся к компьютерным сценариям, а не к установленной вероятности судьбы Солнечной системы.
Примерно в 40% расчётов первого типа сильное рассеивание или разрушение орбитальной конфигурации происходило ещё до образования белого карлика. В отдельных моделях Сатурн покидал систему, а Уран и Нептун менялись местами по удалённости от Солнца. Иногда орбиты начинали пересекаться задолго до окончательного выброса планеты. Под разрушением здесь понимается распад устойчивого порядка орбит, а не физическое уничтожение планет.
Почему небольшие толчки могут иметь огромные последствия? Планеты непрерывно воздействуют друг на друга, а их периоды обращения образуют сложную систему соотношений. Случайные изменения орбит могут приблизить эти периоды к резонансам, при которых повторяющиеся гравитационные воздействия усиливаются. Даже после завершения солнечных выбросов такая система способна оставаться внешне спокойной миллионы лет, прежде чем начнётся нестабильность.
Исследование не означает, что Солнечной системе угрожает катастрофа в ближайший миллиард лет. Солнце ещё около пяти миллиардов лет будет оставаться звездой главной последовательности, и речь идёт о гораздо более далёком будущем. К тому времени условия на Земле радикально изменятся независимо от судьбы внешних планет. Главная неопределённость прогноза — насколько крупными и несимметричными окажутся реальные выбросы солнечного вещества.
Работа меняет не дату неизбежного конца, а представление о механизме возможной нестабильности. Если потеря массы будет происходить рывками, внешние планеты могут начать менять орбиты ещё при жизни Солнца как красного гиганта, а не ждать пролёта другой звезды. Чтобы оценить реалистичность сценария, астрономам предстоит лучше изучить выбросы вещества у стареющих звёзд и движение молодых белых карликов.
А затем «Добавить на главный экран».
