Земля может пережить гибель Солнца: астрофизики пересмотрели сценарий конца света

Группа европейских исследователей под руководством ученых из Лёвенского католического университета (Бельгия) опубликовала расчеты, которые меняют общепринятое представление о финале Солнечной системы. Согласно статье, вышедшей в авторитетном научном журнале Astronomy & Astrophysics, Земля имеет высокие шансы физически уцелеть во время превращения Солнца в красного гиганта.

Используя усовершенствованные гидродинамические модели звездных недр и данные наблюдений за стареющими звездами в нашей Галактике, исследователи М. Эсселдерс, С. Матис и Л. Десен пришли к выводу, что приливные силы увядающего Солнца переоценены. В процессе расширения светила Земля не будет поглощена, а постепенно сместится во внешние области системы — на безопасное расстояние от 1,5 до 1,9 астрономических единиц (что соответствует нынешней орбите Марса или лежит чуть дальше нее).

В то время как Меркурий и Венера будут гарантированно уничтожены в раскаленной звездной плазме, Земля и Марс переживут обе фазы расширения нашего светила. Хотя планета сохранит свою физическую целостность, она превратится в безжизненный каменный шар, лишенный атмосферы и океанов, и в конечном итоге останется вращаться вокруг остывающего белого карлика.

Жизненный цикл звезды: как Солнце потеряет стабильность

Современное Солнце находится в устойчивом состоянии благодаря хрупкому балансу сил. Гравитация пытается сжать звезду под действием собственного веса, а термоядерные реакции в ядре создают мощное давление излучения, которое толкает вещество наружу. Этот баланс поддерживается уже около 4,6 миллиарда лет. Однако запасы водородного топлива в ядре конечны.

Когда водород исчерпается, ядро Солнца начнет сжиматься под действием силы тяжести. Это сжатие вызовет резкий рост температуры в центре звезды, что спровоцирует горение водорода в слоях, окружающих ядро. В результате внешние газовые оболочки Солнца начнут стремительно расширяться. Звезда перейдет на стадию красного гиганта.

Этот процесс будет происходить в два этапа:

1. Ветвь красных гигантов (RGB): Солнце раздуется примерно в сто раз по сравнению со своими нынешними размерами. На этой стадии его светимость вырастет в тысячи раз, а температура поверхности снизится, из-за чего звезда приобретет багровый оттенок.
2. Асимптотическая ветвь гигантов (AGB): после короткого периода стабильности, когда в ядре начнется горение гелия, звезда снова начнет расширяться. Это фаза экстремальной нестабильности, сопровождающаяся мощными пульсациями и выбросом огромного количества вещества в окружающее пространство.

В периоды максимального расширения границы Солнца выйдут далеко за пределы орбит Меркурия и Венеры. Судьба же Земли зависит от того, как изменится ее орбита под влиянием меняющейся гравитации угасающего светила.

Спор длиною в тридцать лет

Дискуссия о том, поглотит ли Солнце Землю, продолжается в научной среде уже более тридцати лет. Астрофизики неоднократно строили компьютерные модели, но получали противоположные результаты.

В 1993 году группа исследователей под руководством И.-Дж. Сакманна предположила, что Земля спасется. Их расчеты основывались на законе сохранения углового момента: поскольку Солнце теряет массу, его гравитация слабеет, и планеты отодвигаются дальше от центра системы. Земля, по их мнению, должна была сместиться на безопасное расстояние.

Однако в 2001 году польский астроном К. Рыбицкий и его коллеги добавили в расчеты фактор приливного взаимодействия. Они пришли к выводу, что притяжение планеты будет деформировать внешние слои раздувающейся звезды, создавая обратную силу, которая утянет Землю вниз.

В последующие годы противостояние моделей продолжилось. В 2008 году расчеты К.-П. Шрёдера и Р. Смита показали неизбежное падение Земли на Солнце во время первой фазы расширения. Но уже в 2010 году группа под руководством Дж. Нордхауса заявила, что планета выживет, поскольку Солнце на фазе красного гиганта будет терять массу быстрее, чем считали их коллеги.

Главной проблемой всех предыдущих исследований оставалась неопределенность. Ученым не хватало точных физических данных о том, как именно распределяется вязкость плазмы внутри конвективной зоны Солнца и с какой скоростью угасающие звезды сбрасывают свое вещество в космос.

Механика противостояния: почему орбиты планет меняются

Чтобы предсказать судьбу Земли, ученым потребовалось детально рассчитать баланс двух противодействующих сил: центробежного смещения из-за потери массы звездой и приливного торможения.

Потеря массы и расширение орбиты

Стареющее Солнце будет терять вещество в виде интенсивного звездного ветра. Этот процесс можно сравнить с постепенным уменьшением веса центрального магнита в механической системе. Поскольку масса Солнца снижается, его гравитационная сила, удерживающая планеты на орбитах, ослабевает.

Чтобы компенсировать это ослабление и сохранить стабильность, планеты должны двигаться по более широким траекториям. Расчеты показывают, что под влиянием этого фактора Земля должна медленно отдаляться от Солнца. Скорость этого удаления напрямую зависит от того, насколько быстро звезда теряет свое вещество.

Приливное притяжение и падение на звезду

Параллельно действует сила, которая стремится уничтожить планету. Земля обладает собственной гравитацией. Несмотря на то, что она намного меньше солнечной, на близком расстоянии ее силы достаточно, чтобы деформировать внешнюю разреженную газовую оболочку Солнца. На поверхности звезды образуется гравитационное возвышение (приливной горб).

Поскольку Солнце вращается вокруг своей оси, а Земля движется по орбите, это газовое возвышение на поверхности звезды постоянно смещается. Между ним и планетой возникает взаимное гравитационное притяжение. Но из-за вязкости звездного вещества это возвышение всегда немного отстает от движения планеты. Гравитационное взаимодействие с этим отстающим участком тормозит Землю. Она теряет свою орбитальную энергию и начинает медленно, по спирали, опускаться к поверхности Солнца.

В новой работе М. Эсселдерс и его коллеги применили более точный метод расчета этого торможения. Вместо того чтобы использовать средние значения вязкости для всей конвективной зоны Солнца, они рассчитали движение плазмы локально — для каждого конкретного слоя звезды.

Их расчеты показали, что внутренние течения в недрах Солнца на поздних стадиях его эволюции будут менее вязкими, чем считалось ранее. Это означает, что приливной горб на поверхности звезды будет оказывать значительно меньшее сопротивление движению Земли. Сила, тянущая планету к гибели, оказалась переоценена.

Сигналы из глубокого космоса: пример звезды L2 Кормы

Математические расчеты всегда требуют проверки практическими наблюдениями. Поскольку мы не можем заглянуть в будущее нашей системы на пять миллиардов лет вперед, астрономы ищут в космосе аналоги позднего Солнца. Наиболее подходящим объектом оказалась звезда L2 Кормы (L2 Puppis).

Это красный гигант, расположенный в созвездии Кормы на расстоянии около 200 световых лет от Земли. Его первоначальная масса практически полностью совпадала с массой нашего Солнца. Сейчас эта звезда находится на стадии асимптотической ветви гигантов (AGB) и активно сбрасывает свои внешние оболочки.

Ученые исследовали L2 Кормы с помощью радиотелескопа ALMA в Чили. Вокруг звезды был обнаружен плотный газопылевой диск, внутри которого обращается планета, по массе превосходящая Юпитер. Наличие этой планеты у стареющей звезды доказывает, что планетные системы способны переживать фазы экстремального расширения своих светил.

Однако ключевым вопросом для моделирования оставался темп потери массы. Для L2 Кормы существуют две различные научные оценки:

1. Первая, основанная на регистрации инфракрасного излучения пылевого диска, указывает на потерю массы в размере одной миллионной доли массы Солнца в год.
2. Вторая, основанная на спектральном анализе линий монооксида углерода, дает существенно меньшую скорость потери массы.

Авторы нового исследования провели моделирование для обоих сценариев. Оказалось, что даже при выборе более консервативного, медленного варианта потери массы Земля все равно успевает мигрировать во внешние области системы до того, как плотные слои солнечной атмосферы достигнут ее орбиты. Слабое приливное торможение, рассчитанное по новой методике, просто не успевает притянуть планету к центру.

Хроника финала: сценарий для каждой планеты

Используя обновленные физические параметры, исследователи смоделировали судьбу всех внутренних планет нашей системы.

• Меркурий: находится слишком близко к Солнцу. Сила приливного притяжения здесь настолько велика, что планета будет поглощена солнечной короной в самом начале расширения звезды.
• Венера: ее орбитального радиуса также недостаточно для спасения. Несмотря на то, что потеря массы Солнцем начнет сдвигать планету наружу, приливное трение быстро компенсирует этот сдвиг. Венера пересечет предел Роша — критическую границу, на которой гравитация звезды преодолевает собственную прочность планеты, — и будет разорвана на части, после чего ее вещество растворится в звездной плазме.
• Земля: оказывается в пограничной зоне, но выходит из этого противостояния победителем. Ослабление солнечной гравитации начнет уводить планету дальше от опасной зоны. Из-за слабой приливной диссипации торможение не сможет остановить этот процесс. Земля сместится во внешние слои системы, заняв орбиту на расстоянии примерно от 1,5 до 1,9 астрономических единиц (что соответствует нынешней орбите Марса или лежит чуть дальше нее). Это позволит ей избежать разрушения и сохранить физическую целостность на протяжении обеих фаз расширения Солнца.
• Марс: его орбита изначально находится на безопасном расстоянии. Под влиянием слабеющей гравитации Марс просто отодвинется еще дальше в холодные области Солнечной системы, гарантированно избежав какого-либо контакта с веществом расширяющейся звезды.

Наследие выжившего мира

Тот факт, что Земля способна физически пережить гибель Солнца, не означает, что на ней сохранится жизнь. Задолго до того, как Солнце раздуется до максимальных размеров, плотность солнечного излучения на земной поверхности увеличится во много раз.

Примерно через один миллиард лет температура на Земле поднимется выше точки кипения воды. Океаны испарятся, а водяной пар под действием ультрафиолетового излучения распадется на водород и кислород, после чего легкий водород навсегда покинет планету, уйдя в космическое пространство. Земля лишится гидросферы и атмосферы. В период максимального сближения с внешней границей красного гиганта ее поверхность будет представлять собой океан расплавленной лавы.

Когда Солнце сбросит свои газовые оболочки, на его месте останется белый карлик — сверхплотное ядро размером с Землю, но с массой, равной примерно половине нынешней солнечной. На этом этапе процессы потери массы и приливного торможения прекратятся.

Земля окажется на стабильной круговой орбите вокруг этого остывающего звездного остатка. Она превратится в холодный, лишенный воздуха каменный шар, состоящий в основном из тяжелых элементов — железа, кремния и никеля.

Это исследование важно не только с точки зрения далекого будущего нашей планеты. Сейчас мировая астрономия активно развивается в направлении поиска экзопланет у белых карликов. Понимание физических механизмов выживания планет позволяет ученым точнее планировать наблюдения для будущих космических миссий, таких как телескоп PLATO. Наличие точных моделей приливного взаимодействия позволяет заранее рассчитать, у каких типов звезд и на каких расстояниях мы можем обнаружить твердые планеты, пережившие гибель своих миров.

Источник: Astronomy & Astrophysics (A&A)