Солнечная система может потерять свою устойчивость в 100 раз быстрее, чем предполагали астрономы. Новое исследование показало, что в последние этапы существования Солнце способно нарушить орбиты планет-гигантов настолько сильно, что некоторые из них будут выброшены в межзвёздное пространство. Причём разрушительные процессы могут начаться ещё до того, как наша звезда окончательно превратится в белого карлика.
К такому выводу пришли астрофизики Константин Батыгин и Джим Фуллер из Калифорнийского технологического института совместно с Фредом Адамсом из Мичиганского университета. Результаты их исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.
Долгое время считалось, что внешние планеты Солнечной системы обладают практически невероятной устойчивостью. Современные математические расчёты движения Урана показывали, что их орбиты могут оставаться стабильными на протяжении квинтиллиона лет — срока, превышающего нынешний возраст Вселенной более чем в 70 миллионов раз.
Даже если учитывать будущее старение Солнца и гравитационное воздействие других звёзд, проходящих поблизости, внешние планеты, согласно прежним оценкам, могли сохранять устойчивость около 100 миллиардов лет.
Однако эти прогнозы основывались на одном важном предположении: примерно через шесть миллиардов лет, когда Солнце приблизится к завершению своей эволюции, оно постепенно потеряет около половины массы, после чего превратится в белого карлика. Предполагалось, что потеря вещества будет происходить достаточно плавно, позволяя планетным орбитам приспосабливаться к изменению солнечной гравитации.
Новые расчёты ставят это представление под сомнение. Оказалось, что решающее значение может иметь не столько количество потерянного Солнцем вещества, сколько способ, которым оно будет выбрасываться в космос.
Исследователи обнаружили, что потеря массы может сопровождаться тысячами отдельных, неравномерных выбросов. Каждый из них будет действовать на Солнце подобно небольшому толчку, заставляя звезду слегка менять скорость и направление движения.
«Самое неожиданное начинается, когда плавный процесс становится прерывистым. Стоит разделить потерю массы на отдельные события выброса вещества, и вся картина полностью меняется», — объясняет Константин Батыгин.
Если бы вещество покидало Солнце строго симметрично, возникающие воздействия могли бы взаимно компенсироваться. Но при случайном направлении выбросов звезда будет получать небольшие импульсы в разные стороны, а её гравитационное влияние на планеты станет постоянно изменяться.
Отдельный толчок может быть слишком слабым, чтобы заметно нарушить устройство Солнечной системы. Однако тысячи подобных событий способны постепенно накопить изменения, достаточные для возникновения масштабной орбитальной нестабильности.
Чтобы проверить эту идею, учёные обратились к данным европейской космической обсерватории Gaia, завершившей свою работу. Исследователи изучили наблюдения широких двойных звёздных систем, в состав которых входят белые карлики, и обнаружили свидетельства подобных воздействий, связанных с потерей звёздами массы.
Затем астрофизики построили компьютерные модели будущей эволюции Солнца, учитывающие разную интенсивность и случайный характер выбросов вещества.
В одном из рассмотренных вариантов каждый выброс уносил приблизительно одну десятитысячную массы Солнца. Для сравнения, это примерно соответствует массе 33 Земель.
Всего моделировалось 4600 таких событий. Каждый выброс изменял скорость движения Солнца примерно на семь метров в секунду. Механизм напоминает отдачу: когда вещество улетает в одном направлении, сама звезда получает импульс в противоположную сторону.
Исследователи провели почти 700 компьютерных моделирований, но основное внимание сосредоточили на 48 сценариях, которые наиболее реалистично воспроизводили потерю массы Солнцем на заключительных этапах его существования.
Результаты оказались значительно тревожнее прежних прогнозов.
В 37 из 48 сценариев, то есть почти в 80 процентах случаев, орбиты внешних планет начинали пересекаться неожиданно рано — задолго до того, как Солнце завершало сбрасывать свои внешние слои.
В наиболее ранних случаях заметная перестройка планетных орбит происходила уже после потери всего около 10 процентов солнечной массы.
К моменту превращения Солнца в белого карлика внешняя часть Солнечной системы оказывалась серьёзно дестабилизированной в 40 процентах рассмотренных сценариев.
Последствия такого развития событий могут быть весьма необычными. Например, Уран и Нептун способны поменяться местами или даже оказаться внутри орбиты Юпитера. Это приведёт к хаотичному движению планет, значительно отличающемуся от привычного устройства Солнечной системы.
Ещё более драматичная судьба может ожидать Сатурн. В некоторых сценариях он полностью теряет гравитационную связь с Солнцем и оказывается выброшен за пределы планетной системы.
Причём произойти это может всего за несколько миллионов лет после начала соответствующей нестабильности. В таком случае планета с кольцами превратится в свободно блуждающий мир, который будет перемещаться по межзвёздному пространству, пока, возможно, не окажется захвачен гравитацией другой звезды.
И Сатурн далеко не единственная планета, которой угрожает подобная участь.
«Мы теряем их. В девяти из десяти наших моделирований по меньшей мере одна планета-гигант выбрасывается в межзвёздное пространство», — рассказывает Батыгин.
По его словам, результаты согласуются с наблюдениями, выполненными методом гравитационного микролинзирования. Они указывают на то, что количество свободно блуждающих планет в Галактике может быть сопоставимо с количеством звёзд. Умирающие звёзды вполне способны оказаться одним из основных источников таких одиноких миров.
В целом в 90 процентах рассмотренных моделей Солнечная система теряет свою прежнюю устойчивую конфигурацию в течение трёх миллиардов лет после превращения Солнца в белого карлика.
Если учесть, что до этого превращения остаётся приблизительно шесть миллиардов лет, масштабная перестройка планетной системы может произойти менее чем через десять миллиардов лет от настоящего момента.
Это гораздо более мрачный прогноз, чем предполагали предыдущие исследования. По новым оценкам, разрушение привычного устройства Солнечной системы может происходить в 100 раз быстрее, а первые серьёзные нарушения планетных орбит способны начаться ещё при умирающем Солнце.
Интересно, что возможность нестабильности Солнечной системы предполагал ещё Исаак Ньютон. Он подозревал, что сложная гравитационная архитектура внешних планет может со временем разрушиться.
Однако долгое время одной из главных угроз считалось влияние других звёзд. По мере того как Солнце теряет массу, его гравитационное притяжение ослабевает, а планетные орбиты расширяются. Это делает систему более уязвимой перед внешними воздействиями.
Новое исследование предлагает другой механизм: Солнечная система может разрушить собственную устойчивость без вмешательства посторонних звёзд — исключительно из-за неравномерной потери массы своим центральным светилом.
«Предсказанная Ньютоном нестабильность всё-таки реальна. Он ошибался лишь в том, кто станет её причиной», — пишут авторы исследования.
При этом последствия работы выходят далеко за пределы нашей планетной системы.
По словам Батыгина, около 97 процентов звёзд завершают существование подобным образом, а многие другие планетные системы изначально менее устойчивы, чем наша.
Это означает, что процессы, способные нарушить орбиты Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, могут происходить и возле множества других стареющих звёзд.
Если предложенный механизм подтвердится, астрономам придётся пересмотреть представления о долговременной устойчивости планетных систем и о том, как часто умирающие звёзды выбрасывают свои планеты в межзвёздное пространство.
«Спокойная старость, которую мы представляли для планетных систем, — это миф», — заключает Батыгин.
Таким образом, судьба Солнечной системы может определяться не только постепенным угасанием Солнца или случайным сближением с другими звёздами. Даже небольшие, но многочисленные импульсы, возникающие при потере солнечной массы, способны в конечном счёте разрушить сложившийся за миллиарды лет порядок движения планет.
