Солнечная система может оказаться гораздо менее устойчивой в далеком будущем, чем предполагали ученые. Новое исследование показало, что на заключительных этапах жизни Солнца неравномерная потеря массы способна нарушить орбиты планет-гигантов и привести к выбросу некоторых из них в межзвездное пространство. При этом первые серьезные изменения могут начаться еще до того, как Солнце превратится в белого карлика, передает МойГород со ссылкой на газету "Поиск".
К такому выводу пришли астрофизики Константин Батыгин и Джим Фуллер из Калифорнийского технологического института совместно с Фредом Адамсом из Мичиганского университета. Результаты исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.
Почему ученые пересматривают прежние прогнозы
Ранее считалось, что внешние планеты Солнечной системы обладают исключительной долговременной устойчивостью. Математические модели движения Урана показывали, что орбиты планет могут оставаться стабильными на протяжении квинтиллиона лет. Это более чем в 70 миллионов раз превышает нынешний возраст Вселенной.
Даже с учетом старения Солнца и гравитационного воздействия звезд, проходящих поблизости, прежние оценки допускали, что внешняя часть Солнечной системы сможет сохранять устойчивость около 100 миллиардов лет.
Однако такие прогнозы основывались на предположении, что потеря массы Солнцем будет происходить постепенно и относительно равномерно. Примерно через шесть миллиардов лет звезда приблизится к завершению своей эволюции, расширится, а затем сбросит внешние оболочки и превратится в белого карлика. В результате Солнце может потерять значительную часть своей массы, из-за чего его гравитационное воздействие на планеты ослабнет.
Считалось, что при плавном уменьшении массы звезды планетные орбиты будут постепенно расширяться, сохраняя при этом устойчивую конфигурацию.
Новое исследование ставит это представление под сомнение. Ученые пришли к выводу, что значение имеет не только количество вещества, которое теряет Солнце, но и характер этого процесса.
Как небольшие выбросы могут изменить орбиты планет
По расчетам исследователей, потеря массы может происходить не равномерно, а сопровождаться тысячами отдельных выбросов вещества. Каждый такой выброс способен создавать небольшой импульс, изменяющий скорость и направление движения звезды.
«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 импульсы могли бы компенсировать друг друга. Однако при неравномерных выбросах звезда будет получать небольшие толчки в разных направлениях. Это приведет к изменениям ее движения и, как следствие, гравитационного взаимодействия с планетами.
Отдельный импульс может быть слишком слабым, чтобы заметно повлиять на устройство Солнечной системы. Но если подобные события будут повторяться тысячи раз, их совокупное воздействие способно постепенно изменить орбиты планет-гигантов и нарушить сложившееся равновесие.
Чтобы проверить эту гипотезу, ученые использовали данные космической обсерватории Gaia Европейского космического агентства. Исследователи изучили наблюдения широких двойных звездных систем, в которых присутствуют белые карлики, и искали признаки изменений, связанных с потерей массы звездами.
На основе полученных данных астрофизики разработали компьютерные модели будущей эволюции Солнца. В них учитывались интенсивность выбросов вещества и их случайный характер.
Что показало компьютерное моделирование
В одном из рассмотренных сценариев каждый выброс уносил примерно одну десятитысячную массы Солнца. Это приблизительно соответствует массе 33 Земель.
Всего исследователи смоделировали 4600 таких событий. Каждый выброс изменял скорость движения Солнца примерно на семь метров в секунду. Подобный эффект напоминает отдачу: когда вещество выбрасывается в одном направлении, звезда получает импульс в противоположную сторону.
Астрофизики провели почти 700 компьютерных моделирований, уделив особое внимание 48 сценариям, которые наиболее реалистично описывали потерю массы Солнцем на заключительных этапах его существования.
Результаты оказались значительно менее оптимистичными, чем предполагали предыдущие расчеты.
В 37 из 48 сценариев, то есть почти в 80% случаев, орбиты внешних планет начинали пересекаться неожиданно рано. Это происходило еще до того, как Солнце завершало сбрасывать внешние оболочки.
В наиболее ранних сценариях заметная перестройка планетных орбит начиналась после потери всего около 10% солнечной массы.
К моменту превращения Солнца в белого карлика внешняя часть планетной системы оказывалась серьезно дестабилизированной в 40% рассмотренных сценариев.
Какие планеты могут покинуть Солнечную систему
Нарушение орбитальной устойчивости может привести к значительным изменениям расположения планет-гигантов. Например, Уран и Нептун способны поменяться местами или оказаться на орбитах внутри орбиты Юпитера. Подобные перестановки могут вызвать дальнейшие гравитационные возмущения и сделать движение планет хаотичным.
Еще более необычная судьба в некоторых моделях ожидает Сатурн. При определенном развитии событий планета может полностью потерять гравитационную связь с Солнцем и покинуть планетную систему.
Это может произойти в течение нескольких миллионов лет после начала орбитальной нестабильности. В таком случае Сатурн превратится в свободно блуждающую планету, которая будет двигаться по межзвездному пространству. Теоретически в дальнейшем ее может захватить гравитация другой звезды.
При этом Сатурн не единственная планета, которой угрожает подобная участь.
«Мы теряем их. В девяти из десяти наших моделирований по меньшей мере одна планета-гигант выбрасывается в межзвездное пространство», — рассказал Батыгин.
По словам ученого, такие результаты согласуются с наблюдениями, выполненными методом гравитационного микролинзирования. Они указывают на то, что количество свободно блуждающих планет в Галактике может быть сопоставимо с количеством звезд.
Таким образом, стареющие звезды могут оказаться одним из источников появления планет, которые больше не вращаются вокруг своего первоначального светила.
Когда Солнечная система может потерять устойчивость
Согласно результатам моделирования, в 90% рассмотренных сценариев Солнечная система теряла прежнюю устойчивую конфигурацию в течение трех миллиардов лет после превращения Солнца в белого карлика.
Если учитывать, что до завершения эволюции Солнца остается примерно шесть миллиардов лет, серьезные изменения в расположении планет могут произойти менее чем через десять миллиардов лет от настоящего времени.
Это существенно отличается от прежних оценок, согласно которым внешние планеты могли сохранять устойчивость на протяжении десятков и даже сотен миллиардов лет.
При этом речь идет о далеком будущем. Результаты исследования не означают, что Солнечная система начнет разрушаться в обозримой перспективе. Ученые рассматривают процессы, которые могут произойти через миллиарды лет, когда Солнце приблизится к завершению своего жизненного цикла.
Ньютон тоже предполагал, что Солнечная система может стать нестабильной
Вопрос о долговременной устойчивости планетной системы возник задолго до появления современных компьютерных моделей. Еще Исаак Ньютон допускал, что сложные гравитационные взаимодействия между небесными телами могут со временем нарушить существующий порядок.
Ранее одним из главных факторов риска считалось воздействие других звезд. По мере потери массы Солнцем его гравитационное притяжение ослабнет, а орбиты планет расширятся. В результате внешние небесные тела станут более уязвимыми перед гравитационным влиянием звезд, проходящих поблизости.
Новое исследование предлагает дополнительный механизм, который может привести к нестабильности даже без вмешательства других звезд. Речь идет о неравномерной потере массы самим Солнцем и возникающих при этом импульсах.
«Предсказанная Ньютоном нестабильность всё-таки реальна. Он ошибался лишь в том, кто станет её причиной», — пишут авторы исследования.
Почему открытие важно для изучения других звезд
Значение работы не ограничивается будущим Солнечной системы. По словам Батыгина, около 97% звезд завершают свою эволюцию подобным образом, а многие другие планетные системы изначально могут быть менее устойчивыми, чем наша.
Это означает, что процессы, способные изменить орбиты Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, могут происходить и в системах других стареющих звезд.
Если предложенный механизм получит дальнейшее подтверждение, астрономам придется пересмотреть некоторые представления о долговременной устойчивости планетных систем и о том, насколько часто умирающие звезды выбрасывают свои планеты в межзвездное пространство.
«Спокойная старость, которую мы представляли для планетных систем, — это миф», — заключает Батыгин.
Таким образом, судьба Солнечной системы может зависеть не только от постепенного угасания Солнца и случайных сближений с другими звездами. Даже небольшие, но многочисленные импульсы, возникающие при потере звездой массы, способны в конечном итоге нарушить порядок движения планет, который формировался на протяжении миллиардов лет.
