Сначала испарятся океаны. Затем начнутся реальные проблемы
Автор: Сан Раймонд
Наша Солнечная система на пути к гибели. Но процесс идёт медленно. В течение следующих нескольких миллиардов лет произойдет ряд печальных событий, от не очень приятных до поистине трагических. После этого наша Солнечная система исчезнет: Все планеты будут потеряны, а Солнце превратится в одинокий белый карлик.
(Пауза, чтобы вытереть слезы.)
Я проведу нас через будущее нашей Солнечной системы, шаг за шагом. Поскольку Земля является нашим домом, будем рассматривать все происходящее сквозь призму жизни на Земле. Вот пять этапов:
1. Океаны Земли испарятся.
2. Орбиты каменистых планет могут стать нестабильными, что приведет к потенциальному гигантскому столкновению планет.
3. Солнце станет красным гигантом и поглотит каменистые планеты.
4. Проходящая мимо звезда вызовет динамическую нестабильность среди оставшихся планет.
5. Проходящая звезда снесет последнюю планету.
Почти наверняка произойдет каждое из этих событий, за исключением второго (вероятность которого относительно мала). Но для достижения конца потребуется около 100 миллиардов лет.
Давайте же приступим.
Конец жидкой воды (и жизни) на Земле
Солнце нагревается все медленнее. Сегодня оно примерно на 30 процентов ярче, чем сразу после 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-протонной цепью). Это постепенно увеличивает энерговыделение светила.
Для жизни, как мы ее знаем, необходима жидкая вода. Чтобы поддерживать жидкую воду на поверхности планеты, должен существовать баланс между поступающей и выходящей энергией, поддерживающий нужный диапазон температур.
Энергетический баланс постоянно корректируется. Если количество парниковых газов в атмосфере Земли увеличивается (как это происходит сегодня), эффект «одеяла» парниковых газов создает новый энергетический баланс с более горячей 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 меняется в течение миллиона лет, поэтому он слишком медленный, чтобы помочь нам в решении текущей проблемы глобального потепления.
Другой способ нагрева 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 климата Земли, связанные с временами года, изменениями в составе атмосферы (как от парниковых газов, созданных человеком, так и иногда от вулканической пыли) и циклами Миланковича, поверхность Земли медленно, но неумолимо нагревается тоже из-за увеличения яркости Солнца.
В какой-то момент атмосфера Земли больше не сможет поддерживать стабильный энергетический баланс, и парниковый нагрев перейдет в фазу побега. В убегающей теплице 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 она увеличивает силу парникового эффекта, который еще больше нагревает поверхность планеты.
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 достигнут новый баланс: палящая горячая поверхность и вся вода, запертая в атмосфере (вероятно, в «сверхкритическом» состоянии, что означает отсутствие различий между жидкостью и газом). Вблизи поверхности Земли будет больше водяного пара, но не будет жидкого океана.
Другой способ описать это можно найти это в терминах «обитаемой зоны» — области орбит вокруг звезды, внутри которой планета может поддерживать жидкую воду, при условии, что она имеет соответствующую атмосферу. Внутренний край обитаемой зоны — это расстояние от звезды, внутри которого 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 светилом.
С увеличением яркости Солнца внутренний край обитаемой зоны медленно продвигается далее. Когда именно внутренний край пригодной для жизни зоны пересечет орбиту Земли, определить довольно сложно, но, по оценкам, примерно через 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 так планета!».
Хаотическая дестабилизация орбит скалистых планет
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).
Когда думаешь о будущем, легко представить себе самое худшее. Когда мои дети еще ползали, я представляла 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 орбиты каменистых планет хаотичны, мы не можем знать их будущее. Должны ли мы просто предполагать, что их орбиты останутся стабильными на все времена? Или, как молодой родитель, мы должны предположить худшее, что все пойдет ужасно плохо?
Компьютеры могут помочь нам найти ответ, хотя и вероятностный. Используя модели, 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 хаосом.
Некоторые моделирования показывают, что орбита Меркурия станет чрезвычайно вытянутой, или эксцентричной. Это может произойти, если Меркурий войдет в «светский резонанс» с Юпитером. Резонанс вызывает выравнивание орбит двух планет, при котором линии апсид, соединяющие Солнце с позицией ближайшего сближения — начинают прецессировать вместе, сохраняя свое выравнивание в течение многих тысяч лет. Это приводит к постепенному растяжению орбиты Меркурия.
Когда орбита Меркурия становится настолько вытянутой, что пересекает орбиту Венеры, могут происходить самые разные безумные 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 настолько, 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, вероятность столкновения с Землей очень мала. Гораздо более вероятно, что Меркурий просто упадет на Солнце или столкнется с Венерой.
Другими словами, существует 99-процентная вероятность того, что орбиты каменистых планет будут продолжать вращаться вокруг Солнца как часы, по крайней мере до тех пор, пока само Солнце не начнет меняться …
Солнце превратится в красный гигант, поглотит внутренние планеты и станет белым карликом
Примерно через 5 миллиардов лет в ядре Солнца закончится водород — топливо для его термоядерного реактора. Светило продолжит плавить водород в расширяющейся оболочке, и это приведет к тому, что Солнце превратится в красного гиганта.
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 наружу и охватит Юпитер и Сатурн. Во время этой фазы крупные луны планет-гигантов могут иметь на своей поверхности условия для существования жидкой воды. Многие из этих лун имеют много воды в своих недрах, в том числе некоторые (наиболее известная — Европа) с жидкими океанами под ледяной оболочкой. Ганимед, самая большая луна Солнечной системы, имеет массу примерно в 40 раз меньше Земли, но считается, что он наполовину состоит из воды! Это делает водный бюджет Ганимеда значительно большим, чем у Земли, так как наша планета по массе составляет всего 1 часть воды из 1000. Ганимед станет вполне океанической луной примерно через 7 миллиардов лет.
Орбиты планет будут подстраиваться под меняющееся Солнце. Внутренние планеты будут поглощены, когда Солнце станет красным гигантом. Планеты, расположенные далеко от светила, будут расширяться 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.
Красный гигант очень велик. Чтобы стать красным гигантом, Солнце увеличится примерно в 100 раз и вытянется примерно на такое же расстояние, как нынешняя орбита Земли. Наша планета находится на краю пропасти: Мы не знаем, будет ли она поглощена Солнцем или отойдёт 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 ничего не делает, а только медленно остывает в вечности.
Белые карлики почти такие же массивные, 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 — астрономическое мгновение ока.
Когда мы смотрим на белые карлики, большая часть из них кажется «грязными»: вместо чистого спектра водорода или гелия их внешние слои загрязнены каменистым (а иногда и ледяным) материалом. Поскольку он должен очень быстро оседать, этот каменистый материал, должно быть, столкнулся с белым карликом совсем недавно.
Белые карлики могут быть загрязнены медленной струйкой материала, падающего на их поверхность из дисков с обломками на очень близких орбитах. Эти обломки происходят от небольших тел, которые были гравитационно подброшены 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 поджарена. Единственным намеком на бледно-голубую точку, которая когда-то вращалась вокруг этого белого карлика, будет несколько характерных спектральных линий — брызги крови давно погибшей планетной системы.
Но это еще не конец. Пять (а может, и шесть, если Земле повезет) планет выживут, чтобы увидеть Солнце в виде белого карлика.
Проходящая звезда вызывает динамическую нестабильность среди планет
Ничто не длится вечно (даже холодный ноябрьский дождь).
После того как Солнце станет белым карликом, его планетная система увеличится почти вдвое. Не по количеству планет, конечно (пока-пока, внутренние каменистые планеты), а по размерам орбит планет выживших. 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 ответ на это расширятся примерно на 85 процентов. Орбита Нептуна вырастет с 30 до 55 астрономических единиц, обозначив внешний край солнечной системы.
Отсюда и до вечности все должно быть просто гладко, верно? Планеты будут двигаться по хорошим, почти круговым орбитам вокруг белого карлика. А та надоедливая внутренняя, хаотичная часть Солнечной системы будет поглощена Солнцем.
Только одна вещь может угрожать Солнечной системе в этот момент: другие звезды.
Звезды проводят много времени рядом друг с другом только в младенчестве. В своих рождающихся скоплениях светила часто проходят относительно близко друг к другу. (Точное число зависит от размера и плотности рождающегося скопления.) Иногда звезды проходят 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. А в некоторых случаях проходящая звезда может даже украсть очень широкоорбитальную планету.
Одна из моделей предполагает, что орбиты очень далеких объектов пояса Койпера были сформированы на ранних этапах истории Солнечной системы, когда звезда приблизилась к Солнцу на расстояние от нескольких сотен до тысячи астрономических единиц. (Это спорная модель.) Это типичное расстояние для ближайшей встречи, которую звезда, подобная Солнцу, могла бы испытать в рождающемся скоплении, подобном солнечному. Возможно, эта встреча даже была самой близкой встречей Солнца, по крайней мере, с момента его рождения до превращения в белого карлика.
После того как рождающиеся скопления рассеиваются, звезды обычно остаются далеко 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 улучшило наше понимание далекого будущего Солнечной системы. Они провели 10 симуляций орбитальной эволюции Солнечной системы в течение триллиона лет, начиная с сегодняшнего дня, следуя за планетами по мере того, как Солнце становится красным гигантом, затем белым карликом и далее в далекое будущее. Возраст Большого взрыва составляет всего 14 миллиардов лет, поэтому симуляции Зинка и его коллег простираются примерно в 70 раз дальше нынешнего возраста Вселенной. Каждая симуляция представляет собой возможное будущее Солнечной системы. В данном случае будущее различается в основном в плане прохождения близких к Солнцу звезд и планет.
Планетарная система испытывает сильное воздействие только тогда, когда звезда проходит очень близко, в пределах от трех до пяти раз больше размера самой большой 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 вокруг белого карликового Солнца, то звезда, проходящая на расстоянии около 200 астрономических единиц, окажет 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 распространения орбит планет-гигантов это будет выглядеть как динамическая неустойчивость, которая, по мнению астрофизиков, является обычным явлением в системах гигантских экзопланет.
Эта динамическая нестабильность приведет к выбросу всех оставшихся планет, кроме одной. Гравитационные удары между планетами дадут каждой планете (кроме одной) достаточно орбитальной энергии, чтобы быть запущенной в межзвездное пространство и стать свободно плавающими планетами. В большинстве симуляций Зинка Юпитер был последней планетой, выжившей на вытянутой орбите.
С этого момента Солнечная система будет состоять только из белого карликового Солнца и Юпитера. Это странно, потому что, если бы мы искали солнечные системы вокруг близких 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 пройдет достаточно близко.
На этом этапе Юпитер, последняя планета Солнечной системы, будет находиться на широкой, вытянутой орбите.
Далекие пролеты звезд могут мягко подтолкнуть Юпитер к выходу, но эффект от очень редких, очень близких столкновений на самом деле является доминирующим. 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 ухода последней планеты варьировалось от примерно 40 миллиардов лет до чуть более 300).
Когда все произойдёт, пять или шесть из восьми первоначальных планет Солнца все еще будут целы, просто не будут вращаться вокруг Солнца. Эти планеты выживут в качестве свободно плавающих, или «планет-изгоев» (остальные две или три будут поглощены во время фазы красного гиганта). Конечно, эти планеты будут не одиноки: количество свободно плавающих планет будет постоянно расти, поскольку многие другие звезды теряют свои планеты в межзвездном пространстве.
Это знаменует конец Солнечной системы. На этом все заканчивается. Надеюсь, вам понравилась эта история.
Оригинал: Nautilus
