На протяжении десятилетий астрономы исходили из того, что внешняя часть Солнечной системы сохранит устойчивость на сроки, намного превышающие возраст Вселенной. Согласно этим оценкам, собственная динамическая нестабильность орбит Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна могла проявиться лишь примерно через 10¹⁸ лет. Даже с учетом потери массы Солнцем и возможных сближений с другими звездами архитектура планет-гигантов должна была сохраняться порядка 100 миллиардов лет.
Логика была простой. Когда Солнце завершит свою эволюцию, оно сбросит около 46% массы, а орбиты планет расширятся примерно в 1,85 раза. Если этот процесс идет плавно, относительные конфигурации орбит не меняются, и система остается устойчивой на очень больших временах .
Что изменилось: Солнце теряет массу не плавно
Новая работа Константина Батыгина из Калифорнийского технологического института (Caltech) и его коллег показывает, что прежние расчеты упускали один принципиально важный фактор. Наблюдения молодых белых карликов указывают на то, что при сбросе внешней оболочки звезда получает небольшую скорость отдачи — порядка 0,75 км/с . Это означает, что потеря массы происходит не равномерно, а отдельными асимметричными выбросами .
Каждый такой выброс дает Солнцу небольшой импульс в случайном направлении. Отдельный толчок слишком слаб, чтобы заметно изменить орбиты планет, но тысячи подобных событий складываются в случайное блуждание. Со временем эти возмущения накапливаются и усиливают друг друга, вместо того чтобы взаимно усредняться .
Численные эксперименты: от контроля к хаосу
Чтобы проверить эту идею, авторы провели серию численных расчетов движения четырех планет-гигантов на моделях эволюции Солнца. В одной из наиболее реалистичных конфигураций каждый выброс уносил примерно одну десятитысячную массы Солнца — около 33 масс Земли. Всего моделировалось около 4600 таких событий .
Результаты оказались радикально иными. При очень малой массе отдельных выбросов система вела себя почти так же, как при плавной потере массы. Но при значениях порядка 10⁻⁵ массы Солнца и выше орбиты начинали заметно перестраиваться. В расчетах, соответствующих оценкам массы отдельных выбросов, столкновения орбит начинались еще на стадии красного гиганта .
Масштаб разрушения
Почти в 40% реализаций внешняя часть Солнечной системы уже переживала разрушение или сильное рассеяние до образования белого карлика. В целом почти 90% смоделированных систем разрушались в течение первых 3 миллиардов лет после его формирования .
Разрушение не обязательно означает столкновение планет. При пересечении орбит гиганты могут гравитационно расталкивать друг друга, менять порядок расположения или вылетать из системы. В отдельных расчетах Сатурн покидал систему всего через несколько миллионов лет, Уран и Нептун менялись местами, а перигелии планет смещались настолько, что начинали пересекать область орбиты Юпитера .
Иногда случайные возмущения захватывали пары планет в орбитальные резонансы — например, Юпитер и Сатурн могли оказаться в соотношении периодов 5:2, а Уран и Нептун — 2:1. Однако резонанс в этих моделях не становился защитой: такие конфигурации даже несколько чаще разрушались, чем нерезонансные .
Что это меняет в понимании
Работа не отменяет прежние расчеты, а показывает, почему их исходное допущение было принципиально важным. Если масса Солнца убывает плавно, внешняя часть системы в основном просто расширяется. Если же оболочка звезды покидает ее отдельными асимметричными выбросами, то Солнце само становится источником хаотизирующих возмущений .
В наиболее реалистичном сценарии внешняя Солнечная система начинает разрушаться еще до окончательного превращения Солнца в белый карлик. Ее динамическая жизнь после этого сокращается с порядка 10¹⁸ лет до примерно миллиарда лет .
Контекст: что это значит для Земли и других систем
Для Земли этот результат практически ничего не меняет. Задолго до образования белого карлика Солнце пройдет стадию красного гиганта, которая сделает современную Землю непригодной для жизни. Расширяющаяся звезда, вероятно, поглотит Меркурий и Венеру, а судьба нашей планеты остается предметом дискуссий .
Однако выводы Батыгина и его коллег имеют более широкое значение. Большинство звезд в галактике завершают свою эволюцию подобным образом. Если потеря массы действительно происходит отдельными выбросами, то множество планетных систем могут оказаться гораздо менее долговечными, чем считалось. Это согласуется с данными микролинзирования, которые указывают на большое число свободно летящих планет в галактике .
Иными словами, спокойная старость планетных систем — скорее исключение, чем правило. Работа Батыгина меняет представление о финальной судьбе всей Солнечной системы и, вероятно, многих других систем во Вселенной.
Результаты исследования опубликованы в The Astrophysical Journal Letters.
Изображение: разработано Мagnific.
