Будущее Солнечной системы: как наша звезда пожрет свои планеты и сколько проживет после смерти

Зеленое Солнце

Нашу звезду обычно называют желтым карликом спектрального класса G2. На самом деле, технически это не так: пик излучения Солнца приходится на волны с длиной 500 нанометров. Поэтому, будь мы уроженцами системы с другим типом светила, то, попав на Землю, видели бы в небе зеленое Солнце. Однако мы родились здесь, поэтому наши глаза «откалиброваны» под собственное светило. От этого мы и видим его белым в зените и желтым (а то и красным, если у самого горизонта) – не в зените, или если в воздухе много пыли.

Коллаж из изображений Солнца, полученных Обсерваторией солнечной динамики NASA. Наблюдения за поверхностью звезды в разных диапазонах длин волн позволяют лучше понять разные детали ее атмосферы. Фото: NASA/SDO/ Goddard Space Flight Center, nasa.gov

Впрочем, вернемся к спектральному классу: он крайне важен. В зависимости от него звезды могут иметь либо постоянное перемешивание вещества – как у красных карликов (впрочем, они, конечно, тоже не красные, вопреки названию). Либо, как у нашего Солнца, – плохое, сильно неполное перемешивание вещества. В таком случае у них начинаются большие проблемы.

Отравление звездного реактора

Ключевая из них – «отравление» реактора в недрах звезды продуктами собственной работы. Звезды светят потому, что ядра атомов водорода в них сливаются и образуют атомы гелия. Однако если гелия слишком много, то термоядерным реакциям становится довольно трудно протекать – как и реакциям распада ядер в реакторах АЭС, когда в ядерном топливе накопится слишком много «мусора», продуктов реакции.

Нормальные желтые звезды, как наше Солнце, становятся красными гигантами в конце жизненного пути. Когда это происходит, их обитаемая зона смещается вовне. Иллюстрация: Wendy Kenigsburg, nasa.gov

В АЭС отработавшее ядерное топливо вынимает персонал. У звезды такой опции нет. Красные карлики решают вопрос за счет того, что гелий равномерно разносится по всему их материалу, и «отравление звездного реактора» здесь наступает очень и очень поздно. К тому же у них еще и очень низкая светимость. Поэтому, по расчетам, красные карлики могут светить от сотни миллиардов до триллиона (тысячи миллиардов) лет подряд. «По расчетам» мы пишем потому, что Вселенной всего-то 13 миллиардов лет, и пока ученые даже не уверены, что она просуществует этот самый триллион лет.

С Солнцем – другое дело. Гелий заблокирует нормальное состояние нашего светила относительно быстро – он «забьет» ядро до такой степени, что атомам водорода будет непросто встретиться, а значит – и слиться. Без их слияния термоядерные реакции в недрах звезды «по-старому» идти уже не смогут. Поэтому через пять миллиардов лет оно начнет раздуваться – превратится в красного гиганта.

Выжженные Земля и Луна, какими они будут после того, как Солнце дойдет до стадии красного гиганта. Следует учесть, что современное расположение континентов – дань условности. В реальности к этому времени на планете не будет океанов, и она станет сплошным материком. Иллюстрация: Kevin Gill, flickr.com

Это значит, что его ядро – в силу доминирования там гелия – станет сжиматься. В тех слоях оболочки, что ближе к ядру, водород начнет сливаться, но это будет происходить уже не только в ядре, а в «размазанном», довольно широком слое.

Пожирая своих детей

Такое слияние «оболочечного» водорода, вне ядра, постепенно будет поднимать светимость Солнца. Причем через несколько сотен миллионов лет в состоянии красного гиганта такая светимость повысится в тысячу раз относительно нынешней. Значит ли это, что жизнь на Земле от этого погибнет?

Практически наверняка да. Предполагается, что на поверхности будет жарче пары тысяч градусов, и очень маловероятно, что какая-то жизнь сможет перенести подобное. Более того: большинство твердых горных пород при такой температуре становится лавой. Сотни миллионов лет наша планета будет покрыта сплошным лавовым морем. Кстати, если раньше ученые полагали, что так уже было в начале ее истории, то сейчас изучение земных пород опровергло эту гипотезу. Таким образом, через 5–6 миллиардов лет Земля впервые станет «лавовой планетой» – интересная строчка в ее резюме. Жаль, предъявить его будет уже некому.

До сих пор не очень ясно до какой степени, но наша звезда в фазе красного гиганта неизбежно расширится. По современным оценкам, ее диаметр достигнет не менее чем 220 миллионов километров. Сейчас он, напомним, 1,4 миллиона километров. Внутри шара будущего Солнца-гиганта будут лежать современные орбиты Меркурия и, видимо, Венеры, поглощенные ими.

Сложнее – с судьбой Земли. Красные гиганты активно теряют массу: от них исходит сильный «звездный ветер», поток частиц, который летит во все стороны. По расчетам, треть массы Солнце в этой фазе потеряет. За счет этого орбита Земли может начать удаляться от него. Однако часть астрономов считает, что даже несмотря на это наша планета не успеет избежать поглощения светилом.

Ядром о ядро

Значит ли это, что она погибнет? Как ни странно, ответ на этот вопрос не очень ясен. Дело в том, что расширение в 160 раз – до красного гиганта – означает, как ясно из законов геометрии, рост объема в несколько тысяч раз. То есть и падение солнечной плотности с 1,4 тонны на кубометр до… сотен грамм на кубометр. Причем в ядре плотность будет все еще высокой, но вот во внешних слоях – очень низкой. Из этого следует, что контакт с раздувшимися внешними слоями красного гиганта на месте Солнца не уничтожит нашу планету напрямую.

Она просто окажется в облаке раскаленного газа. Он «обдерет» с нее атмосферу и гидросферу. А со временем торможение трением о внешние разреженные слои Солнца может замедлить нашу планету до такой степени, что Земля потеряет скорость вращения вокруг центра системы – и упадет на ядро своей звезды.

Еще до падения на него планета будет постепенно уменьшать радиус своей орбиты вокруг ядра светила. Снаружи ее станет не видно: внешний наблюдатель не сможет понять, что происходит под поверхностью красного гиганта, хотя от Земли в этот момент еще будет оставаться «кусочек». Постепенно она потеряет свою мантию: та просто испарится. А вот железно-никелевое ядро, по расчетам, испариться не успеет и почти в полном составе упадет на ядро Солнца.

Что будет дальше? Внешний астроном сможет отметить, что «металличность» Солнца возросла. Этим термином астрономы называют, как ни странно, не содержание металлов в звезде, а долю тяжелых элементов в ней. Естественно, что, распылив планету на атомы, звезда получит больше тяжелых элементов в своем составе.

Скалистый обломок, вращающийся вокруг белого карлика. Подобный пейзаж можно будет наблюдать и в будущем Солнечной системы через примерно полмиллиарда лет. Иллюстрация: University of Warwick/Mark Garlick, newscientist.com

Входит белый волшебник. И упаковывает автомобили в чайные ложки

Красные гиганты долго не живут – в норме сотни миллионов лет. Атомы гелия в ядре нашего светила сольются в атомы углерода. Когда это случится, плотность ядра Солнца неизбежно резко увеличится. А это приведет к тому, что сила тяжести, действующая на его материал, вырастет невообразимо.

В этот момент начнется резкое сжатие ядра – во много сотен тысяч раз по объему. Плотность получающегося объекта безумно высока: от 10 килограммов до 10 тонн на кубический сантиметр. Самые плотные белые карлики – это самые массивные из них, наименее плотные – самые легкие. Солнце «после смерти», то есть после фазы красного гиганта, сохранит 0,54 своей нынешней массы. Это значит, что плотность его кубического сантиметра будет меньше тонны, но сильно больше центнера. Совсем точно, увы, на сегодня астрономы еще не посчитали.

Получается, одна чайная ложка с веществом белого карлика – именно так называется объект, которым станет Солнце, – будет иметь массу больше тонны. Примерно как у вашего автомобиля, впрочем, очень сомнительно, что к тому моменту о нем будет помнить хоть кто-либо во Вселенной. В конце концов, это произойдет через полдюжины миллиардов лет.

«Где же я буду харчеваться?»

Возникает резонный вопрос: и что же, это все? От всей системы останется только белый шарик диаметром в считанные тысячи километров? Мертвая (без термоядерных реакций) звезда, светящаяся лишь за счет накопленного тепла, отдаваемого ничтожно малой, по сравнению с нынешней, поверхностью?

Здесь мы входим в область вопросов, на которые пока у астрономии нет четких ответов. Предсказать динамику всех планет Солнечной системы в период резкого расширения – в 160 раз! – и последующего резкого сжатия (в сотни раз) Солнца очень сложно. Очень уж велика роль случайности. Тем не менее, считается, что часть далеких от светила планет системы все же выживет. Да, их неплохо «обдерет» еще в фазе красного гиганта, благо рост светимости в тысячу раз, типичный для них, сделает сегодняшнюю орбиту Сатурна в десять раз более освещенным местом, чем орбита сегодняшней Земли. Ясно, что много легких газов и льдов с поверхности этих планет испарится.

Но все же Уран, Нептун и Плутон имеют неплохие шансы пережить красное пламя в небе. Особенно если им повезет не быть выкинутыми в межзвездное пространство в процессе хаотических гравитационных взаимодействий. А такие взаимодействия при расширении внешних слоев Солнца очень и очень вероятны.

По расчетам, на лунах Урана какое-то время будет примерно земная освещенность. Но вряд ли они станут курортом. Дело в том, что крупнейшая луна этой планеты, Титания, немногим больше трех тысяч километров в диаметре. Да, в ее составе немало водного льда, да, она растает, создаст океан, но фаза красного гиганта продлится лишь сотни миллионов лет. Никакой сложной жизни тут не разовьется.

Поэтому ответ на насущный вопрос: «Где же тут будут харчеваться потомки людей?» – вряд ли звучит как «на лунах Урана». Та же Титания имеет силу тяжести в 26 раз меньше земной. Тела людей очень плохо себя чувствуют при слабой гравитации. Так что проще будет переселиться в новую звездную систему, чем выживать на задворках старой.

Тем более что, когда эра красного гиганта-Солнца сменится на эру белого карлика-Солнца, его общая светимость упадет очень сильно. И освещенность лун Урана станет ничтожной – много меньше, чем сейчас.

Сколько лет может светить Солнце мертвых?

«После смерти», в фазе белого карлика термоядерным реакциям места нет, как мы уже отмечали выше. Звезда светит только за счет накопленного тепла и высокой плотности. Постепенно она остывает, но сколько именно времени? Если бы белый карлик возник дюжину миллиардов лет назад, как WD 0346+246 (один из самых холодных известных белых карликов; находится в созвездии Тельца), то ответ прост – он все еще светит. Хотя уже и желто-охристым цветом (вопреки, опять-таки, названию). Цвет сменился потому, что поверхность этого объекта остыла до 3800 К – втрое от первоначальной температуры.

Дальнейшее остывание идет очень медленно. До температуры жидкого гелия остывать белый карлик будет больше квадриллиона лет – то есть миллиона миллиардов лет. Совершенно неясно, успеет ли он вообще это сделать: ряд моделей Вселенной предполагают, что она столько не протянет. И все же многие миллиарды лет белый карлик по имени Солнце вполне просуществует.

Но вряд ли мы, или кто-то из наших потомков это увидит. Если они и доживут до той далекой эпохи, то наверняка будут по горло заняты совсем другими вопросами. И, скорее всего, совсем в другом месте.