Что будет с солнечной системой в будущем
Далёкое будущее нашей Солнечной системы
Если привести историю Вселенной с момента Большого взрыва и до сегодняшнего дня к масштабу «одного вселенского года», как бы тогда выглядело наше будущее?
Чтобы полюбить что-либо, необходимо представить, что вы можете это потерять.
— Г. К. Честертон
Один из самых интересных связанных со Вселенной фактов состоит в том, что несмотря на небольшой срок наблюдений, всего несколько сотен лет, люди, изучавшие основные компоненты и силы, составляющие нас и остальную Вселенную, смогли точно разобраться в ней.
Законы природы почти полностью поняты. Мы знаем, что возраст нашей Вселенной составляет примерно 13,8 миллиардов лет, несмотря на то, что длительность наших наблюдений варьировалась от нескольких долей секунды до нескольких лет. Наши исследования законов природы позволяют нам заглянуть в отдалённую историю Вселенной и понять, какой она была 13,8 миллиардов лет назад, и как она пришла к такому состоянию.
Это тем более впечатляюще, если мы перейдём на логарифмическое мышление. В отдалённом прошлом Вселенной, когда ей было всего 380 000 лет, было ещё слишком горячо для того, чтобы могли сформироваться нейтральные атомы. Это мы видим в остаточном свечении Большого взрыва – в реликтовом излучении! Это было в то время, когда возраст Вселенной составлял 0,0028% от сегодняшнего, или 1/36 300 долю сегодняшнего возраста.
Недавно я сделал картинку, показывающую важные события в истории не только на логарифмической шкале, но и на сжатой линейной шкале: как выглядела бы наша история, если вместо 13,81 млрд лет сжать её до календарного года. Результат оказался потрясающим и очень хорошо демонстрирует временные перспективы, которые мы можем оценить.
Некоторые события со шкалы:
• 1 января в 0:14 испускается реликтовое излучение, и формируются первые нейтральные атомы
• 3 января появляются первые звёзды
• 13 января испускает свет самая далёкая из видимых нами галактик
• 14 февраля начинают формироваться крупномасштабные структуры
• 6 марта появляются первые сформировавшиеся галактические скопления
• 3 сентября формируются Солнце и протопланетный диск
• 21 сентября на Земле появляются первые формы жизни
• 12 октября погибает Марс, теряя атмосферу
• 2 декабря на Земле появляются первые организмы, размножающиеся половым путём
• 30 декабря в 6:25 утра происходит последнее Великое вымирание, включающее и динозавров
• 31 декабря в 23:53 появляются первые люди
• 31 декабря в 23:59:59 люди выходят в космос
Но эта картинка рассказывает только о прошедшей истории. А что насчёт нашего будущего? Как сказал известный физик Нильс Бор, очень сложно делать предсказания, особенно касающиеся будущего.
Могу сказать, что ничего особенно приятного нас не ждёт. Лично я проживу примерно до 00:00:00.1 1 января «второго Вселенского года». Известные нам созвездия будут более-менее узнаваемыми до 0:02, а через несколько минут начнётся следующий ледниковый период.
Но это всё происходит так быстро из-за очень сильного сжатия временной шкалы. Зачем отвлекаться на такие мелкомасштабные события, если мы можем думать по-крупному? Наши законы физики позволяют нам проводить экстраполяцию не только в прошлое, но и в будущее. И мы можем начать с крупнейшего по угловому размеру объекта в нашем ночном небе: галактики Андромеды.
Как столкнутся Млечный путь и Андромеда
Из-за гравитации локальная группа галактик в результате сольётся с нами, но из-за тёмной энергии все остальные галактики и скопления – не связанные с нами сегодня – убегут от нас и покинут наблюдаемую часть Вселенной через миллиарды или сотни миллиардов лет.
Но, ни ускоренное расширение Вселенной, ни столкновение галактик не повлияют на нашу Солнечную систему. Кстати, вы знаете, сколько звёзд, скорее всего, столкнутся друг с другом из-за слияния двух крупнейших галактик нашей локальной группы? Всего шесть штук, из триллиона! Так что лучше мы сфокусируемся на нашем уголке космоса в Солнечной системе и посмотрим, что будет происходить конкретно у нас.
Солнце будет разогреваться с возрастом и вскипятит океаны примерно через 1-2 миллиарда лет – то есть 8 февраля 2 года, плюс-минус 2 недели – и уничтожит жизнь на Земле. Через 5-7 миллиардов лет в ядре Солнца закончится горючее, из-за чего оно превратится в красного гиганта, поглотив Меркурий и Венеру. Это случится 8 июня, плюс-минус месяц. Из-за особенностей звёздной эволюции система Земля/Луна будет выброшена наружу, и мы будем избавлены от судьбы наших внутренних соседей.
После сжигания оставшегося ядерного горючего – в основном, гелия – Солнце отбросит верхние слои, из-за чего появится планетарная туманность, а его ядро сожмётся и превратится в белого карлика. Такова судьба почти всех звёзд в нашей Вселенной. Но планеты всё так же будут вращаться вокруг холодного и тусклого звёздного трупа, и этот процесс завершится через 9,5 млрд лет, или 8 сентября 2 года.
Всё это время Земля продолжит вращаться вокруг Солнца, а Луна – притягиваться к Земле. Именно из-за этого и существует вращательный момент – из-за воздействия внешней силы на вращающийся объект. В результате Луна отдалится от Земли, одновременно замедляя скорость её вращения. Замедление будет трудно заметить – продолжительность дня уменьшается всего на 1,4 миллисекунды за сто лет. Но время у нас есть.
И после 50 миллиардов лет период обращения Луны составит уже 47 дней (по сравнению с сегодняшними 27,3), а наш 24-часовой день тоже замедлится, и станет равным 47 сегодняшним дням. В этот момент Земля и Луна будут приливно связаны друг с другом, то есть будут сохранять то же самое положение в небе друг у друга. Это произойдёт 14 августа «5-го вселенского года».
Белые карлики, в конце концов, станут чёрными, остыв и излучив всю энергию. Это займёт очень много времени: порядка 10 16 лет по моим прикидкам, или примерно в миллион раз дольше текущего возраста Вселенной. Все их атомы будут на своих местах, просто их температура будет чуть выше, чем абсолютный ноль. В это время ночное небо будет чёрным, поскольку все звёзды нашей локальной группы выгорят. Это случится примерно в 724 000 вселенском году!
Примерно так будет выглядеть небо. Да, очень тёмным.
Галактика превратится в довольно жестокое место. Звёзды крайне малы по сравнению с расстояниями между ними – существует лишь 0,1% шанс того, что звезда типа Солнца на протяжении своего существования столкнётся с другой звездой. Но между нами, Андромедой и другими членами локальной группы существует порядка триллиона звёзд и звёздных останков. В этом хаосе типичная звёздная система может существовать очень долго без столкновений с чем-либо, но время у нас есть.
После примерно 10 21 лет чёрный карлик в центре Солнечной системы столкнётся с ещё одним чёрным карликом, что приведёт к появлению сверхновой типа Ia, и уничтожит остатки Солнечной системы. Это случится примерно в 100-миллиардном вселенском году – что во вселенских годах уже больше, чем сегодняшний возраст Вселенной в земных годах!
По крайней мере, это может случиться. Это может быть концом жизненного пути многих звёзд нашей локальной группы, но не всех. Ведь существует ещё один процесс, который, по моим подсчётам, более вероятен в нашем случае – это гравитационный выброс звезды из локальной группы, известный, как «резкая разрядка» [violent relaxation]. В присутствии множества тел на хаотичных орбитах иногда одно из них резко покидает орбиту, а остальные оказываются связанными ещё более сильно.
Это периодически происходит в шаровых скоплениях и объясняет как их компактность, так и большое число отдельно живущих голубых звёзд – или старых звёзд, объединившихся в группу – в ядре этих древних реликтов!
Если нас выбросит, что тогда? Будут ли оставшиеся планеты вращаться вокруг мёртвой звезды в центре Солнечной системы вечно?
Если это случится, то у Вселенной будет достаточно времени, чтобы решить, что делать с нашей системой. И мы бы оставались в таком состоянии вечно, если бы не это ужасное гравитационное излучение!
Наши орбиты будут очень медленно уменьшаться со временем. Это может занять очень долго, порядка 10 150 лет, но в итоге Земля, и все планеты, уменьшат свои орбиты и по спирали упадут на центральную массу Солнечной системы. В это время разница между обычными годами и вселенскими годами будет уже не принципиальной – просто отнимите 10 от степени, и получите 10 140 вселенских лет.
Ещё больше времени, 10 200 лет, если не больше, заняло бы спиральное падение последних нескольких звёзд локальной группы на центральную массу, оставшуюся от слияния Млечного пути и Андромеды. Но эта возможность меня уже не волнует.
Ведь этого не произойдёт! Поскольку находящаяся там чёрная дыра уже испарится благодаря излучению Хокинга! Оно устранит даже самые сверхмассивные чёрные дыры во Вселенной всего за 10 100 лет, а чёрные дыры солнечной массы – за 10 67 лет. Так что, если не существует иных механизмов разрушения, это самые большие временные промежутки, на которых может сохраниться то, что напоминает звёзды, галактики, чёрные дыры и солнечные системы.
Вот такое оно, далёкое будущее нашей Солнечной системы, основанное на известных нам сегодня законах физики!
«Мир в целом будет жить вечно»: астроном Владимир Сурдин о конце нашей Вселенной и влиянии темной материи
Если спросить человека, что ждет Землю и Солнечную систему, то он не сможет однозначно ответить. Однако история о том, что через N миллиардов лет Солнце превратится в красный гигант и, может быть, поглотит Землю, распространена достаточно широко. На этом фоне строится огромное количество догадок, что и рождает несколько вариантов исхода. Фактор случайности и неизвестности вносят внеземные космические объекты, которые способны уничтожить все живое на Земле, а также возможность коллапса в нашей Вселенной. «Хайтек» побывал на фестивале Science Bar Hopping и записал выступление астронома и доцента МГУ Владимира Сурдина о будущем Земли и Солнечной системы, загадке темной материи и теории о бесконечности мира.
Читайте «Хайтек» в
У нас есть 5 млрд лет, прежде чем Солнце войдет в предсмертную стадию
Разделим все факторы, которые грозят нашей планете и Солнечной системе, на две категории — неизбежные и случайные. С неизбежными мы более-менее разобрались, так как видим другие системы и планеты, как они развиваются во времени, и примерно можем предсказать, что ждет Землю. Со случайными дело хуже, они могут произойти в любой момент, а могут не случиться вообще. Но к ним нужно быть готовым, а значит, нужно и в этом тоже разбираться.
В Солнечной системе есть восемь больших планет и очень много разной мелочи. Вот та самая мелочь — это хаотически летающие тела между планетами, и от них не всегда можно ожидать приятных встреч. Солнце в 330 тыс. раз больше нашей планеты, ему стоит только чихнуть, и от Земли ничего не останется. Пока везет, что мы перехватываем лишь одну миллиардную часть мощности. Представьте, что мы нашли какой-то рефлектор, с помощью которого все излучение Солнца сконцентрировали на Земле, что же произойдет? Через четыре минуты океаны не просто закипят, они испарятся в космос. Земля полностью лишится воды. Через полторы недели от планеты вообще ничего не останется, кроме облачка плазмы, настолько высока мощность Солнца. Пока что, прошедшие миллиарды лет, оно вело себя благополучно, но это не значит, что так будет продолжаться вечно.
Сегодня из атмосферы Земли в космос утекает примерно 3 кг водорода в секунду. Вода расщепляется в верхних слоях атмосферы на водород и кислород. Водород улетает, а кислород окисляет породы планеты и тоже пропадает. Помножьте это на миллиард лет, и выяснится, что через 3 млрд лет не будет ни капли жидкой воды. Без воды мы не можем существовать. Однако это не значит, что жизнь на Земле вообще прекратится, есть подземные источники воды, соответственно, и условия для жизни. Меня как астронома это очень удивило. Под землей, на глубине до 3 км, есть микробы, и их биомасса больше, чем всей жизни, которая есть на поверхности. Однако чуть позже не станет и ее, так как Земля до глубины в 3 км высохнет довольно быстро.
Через 5 млрд лет Солнце войдет в предсмертную стадию красного гиганта, оно начнет расширяться и его поверхность будет остывать. Солнце станет очень большим и не просто высушит, а сожжет Землю. Сама планета никуда не денется, она все так же будет вращаться на орбите, но условий для жизни не будет. Конечно, в такое будущее заглядывать рановато, но если подумать, ситуация не такая уж и плохая. На Земле будет жарко, но в Солнечной системе есть более далекие планеты, например, Плутон. В тот момент, когда Солнце станет красным гигантом, на Плутоне будет нормальная температура. Дальше Солнце загорится и сделает Плутон теплым и приспособленным для жизни.
В какой-то момент Земля перестанет удаляться от Солнца, начнет приближаться и нырнет в него, растает и перестанет там существовать. Мы об этом довольно давно думаем, и расчеты были не очень уверенные, но последние два-три года уверенность пришла. Последние миллионы лет жизни будет расти размер Солнца. Земля будет немного отдаляться, так как, толстея, Солнце станет терять часть так называемого солнечного ветра, терять массу. Казалось бы, это должно решить проблему, Земля никогда не коснется поверхности Солнца, но недавно мы стали учитывать новые эффекты: приливного трения, торможения и так далее. Для Солнца нырнувшая в него Земля будет незаметна, как перец в супе. Сегодня можно с уверенностью сказать, что так оно и будет, потому что расчеты очень аккуратные и надежные. Позже Солнце станет похоже на планетарную туманность. На самом же деле — станет просто умирающей звездой.
Расширяясь, Солнце достигнет Меркурия и съест его, та же участь постигнет и Венеру. Оболочка рассеется, и от Солнца останется маленький огрызок — белый карлик. Солнечной системе станет холодно, от белого карлика тепла не дождешься, он будет немного освещать, но практически не будет греть. Солнечная система и те планеты, что останутся несъеденными Солнцем в период его красного гиганта, замерзнут. Даже на Плутоне, где мы собирались устроиться на несколько миллионов лет, станет очень холодно. Есть ли какая-то возможность найти прибежище в Солнечной системе? У планет-гигантов, особенно у Юпитера и Сатурна, есть спутники. О спутнике Европа кто-нибудь слышал? Там ледяная корка, а под ней, на 100-километровой глубине, океан. Есть еще спутник Титан, он живет рядом с Сатурном. Там атмосфера как у нашей планеты, но сила тяжести в семь раз меньше, чем на Земле. Надев крылья, там можно летать, так показали расчеты. Каким-то образом Титан подогревает сам себя изнутри, там есть источники внутренней энергии. Так что с Плутона придется переместиться на Титан и провести там, может быть, миллиард лет.
Вероятность столкновения и первый вестник издалека
Непрогнозируемые явления, про которые нельзя наверняка сказать, когда они произойдут, — это удары крупных метеоритов и ядер комет. То, что мельче 50 м, обычно нам не угрожает. Все, что более крупное, свободно пробивает атмосферу Земли. Метеориты либо не разрушаются в атмосфере, либо, даже разрушившись, наносят ущерб. Редкое событие в 2013 году, произошедшее в Челябинске, над миллионным городом промчался метеорит диаметром 20 м. Он шел почти что параллельно земной поверхности. Самые любознательные смотрели в окно на это замечательное зрелище, им и досталось. Через несколько минут пришла ударная волна, выбило стекла, и около 1 500 человек обратились в больницы, но, к счастью, никто не пострадал. Самый крупный осколок метеорита весил полтонны, он пробил замерзшее озеро Чебаркуль, потом его оттуда достали. Но не всегда все так хорошо обходится. Например, самый большой и самый известный кратер в Аризоне был образован не таким уж и большим метеоритом, всего 50–60 м. Но этот метеорит шел вертикально и состоял из железа. Железные метеориты самые неприятные — они почти не разрушаются в атмосфере, очень прочные и долетают в целом состоянии. В 1947 году был такой метеоритный дождь в России. А в 1908 году произошла Тунгусская катастрофа. Там пролетело некое тело размером примерно 95–100 м. От взрыва в атмосфере полегла тайга и загорелась территория современной большой Москвы — 2 000 кв. км леса. Если бы это произошло в городе, то немало домов бы пострадало. Но тогда городов было мало, а тайги было много.
В центре лучше не обитать, там происходят очень мощные процессы. Солнце находится на краю галактики. Относительно небольшая часть нашей галактики детально исследована. В одной из областей тысячи звезд летают хаотически, и каждая из них окружена роем своих планет, мы это называем облаками Оорта. Звезды друг с другом практически не сталкиваются, расстояние между ними большое, размер звезд маленький, и они просто проходят мимо друг друга. Но вот эти облака мелких тел сталкиваются, и они большие, их размер сравним с расстояниями между звездами, любое движение звезд приводит к тому, что одно облако влетает в другое. Это уже небезопасно. Когда чужая звезда проходит через облако Оорта, своей гравитацией она возмущает движение мелких тел, сбивает их с привычных орбит, часть из них покидает Солнечную систему, а часть попадает в центр, где наша планета. Судя по тому, что мы знаем о метеоритных кратерах, которые уже обнаружены на Земле (их около 100 штук, накопленных за последние 250 млн лет), периодически через наше облако Оорта пролетают чужие звезды и организуют метеоритный дождь в сторону планетных систем. И достается всем, в том числе и нашей Земле. Как мы видим, периодичность большая — десятки миллионов лет прогнозировать неприятности не стоит, но на недалекое будущее придется.
Раз сегодня темная энергия победила гравитацию, то в ближайшие миллиарды лет она будет тоже продолжать свое отталкивающее влияние, а вот в далеком будущем — непонятно, может, ее свойства изменятся. Мы не знаем, что это какое-то поле или какое-то свойство вакуума. Пока только увидели, что оно есть. Может быть, в будущем она перестанет так сильно расталкивать галактики, и разлет снова остановится. Это было бы неплохо, мы бы не потеряли соседей. Однако если этого не произойдет, то постепенно мы будем терять соседей. Сначала от нас улетят соседние скопления галактик, и мы останемся в одиночестве, будет наша галактика, туманность Андромеды. В итоге в нашей галактике останется всего лишь 100 млрд звезд. Казалось бы, звезд много и есть куда полететь, но в конце концов и галактика начнет терять свои звезды, но это будет не скоро.
Это такое далекое будущее, что прогнозировать его практически бесполезно. Расширение тормозилось, а начиная с середины, нынешнего ее возраста, она стала расширяться еще быстрее, хотя раньше считалось, что будет наоборот. К счастью, идея о том, как устроен мир, оказалась намного богаче, чем вот такая, грозящая нам в будущем пустота. Это называется фрактальной вселенной. Саму гипотезу об этом высказал наш физик Андрей Линд, сейчас он работает в США. Оказалось, что она решает многие космологические проблемы. Наш мир — одна из локальных вселенных. Она может схлопнуться, может расшириться, но это не значит, что она единственная в физическом мире. Есть вселенные, связанные с ней, но неизвестно, каким именно образом. Есть надежда, что мы сможем путешествовать из одной вселенной в другую, и если эта перестанет нас удовлетворять, то мы сможем более комфортабельные и приятные для существования вселенные найти и перебежать туда. Если это так, то мир вечен, хотя каждая из вселенных конечна. Вот слова Андрея Линда: «Через миллиарды миллиардов лет наш вакуум распадется, и наша часть Вселенной станет десятимерной или коллапсирует, но благодаря ее самовосстановлению мир в целом будет жить вечно».
Астрономы увидели будущее нашей солнечной системы. Через пять миллиардов лет Юпитер сохранится
Ученые обнаружили первую подтвержденную планетную систему, которая демонстрирует ожидаемую судьбу нашей Солнечной системы
Астрономы обнаружили первую подтвержденную планетную систему, которая демонстрирует ожидаемую судьбу нашей Солнечной системы, когда Солнце достигает конца своей жизни примерно через пять миллиардов лет. «Это чрезвычайно захватывающий результат» — говорят ученые.
Исследователи обнаружили систему с помощью обсерватории У. М. Кека на острове Маунакея на Гавайях; она состоит из планеты, подобной Юпитеру, с орбитой, подобной юпитерианской, вращающейся вокруг белого карлика, расположенного недалеко от центра нашей галактики Млечный Путь.
«Эта система подтверждает, что планеты, вращающиеся на достаточно большом расстоянии, могут продолжать существовать после смерти своей звезды», — говорит Джошуа Блэкман, астроном из Университета Тасмании в Австралии и ведущий автор исследования.
«Будущее Земли может быть не таким радужным, потому что она намного ближе к Солнцу», — говорит соавтор работы Дэвид Беннетт, старший научный сотрудник Университета Мэриленда и Центра космических полетов имени Годдарда НАСА. «Если бы человечество захотело переместиться на спутник Юпитера или Сатурна до того, как Солнце поджарило бы Землю во время фазы красного гиганта, мы бы все равно остались на орбите вокруг Солнца, хотя и не смогли бы полагаться на тепло от Солнца, как от белого карлика».
Белый карлик — это то, чем становятся звезды главной последовательности, подобные нашему Солнцу, после своей смерти. На последних стадиях звездного жизненного цикла звезда сжигает весь водород в своем ядре и раздувается, превращаясь в красного гиганта.
Затем она схлопывается в себя, сжимаясь в белый карлик, где все, что остается, — это горячее плотное ядро, обычно размером с Землю и вдвое меньшее по массе, чем Солнце. Поскольку эти компактные звездные остатки малы и больше не имеют ядерного топлива для яркого излучения, белые карлики очень тусклые и их трудно обнаружить.
Изображения с высоким разрешением в ближнем инфракрасном диапазоне, полученные с помощью системы адаптивной оптики в обсерватории Кека в сочетании с камерой ближнего инфракрасного диапазона (NIRC2), показывают, что масса недавно обнаруженного белого карлика составляет около 60 процентов массы Солнца, а его экзопланета, оставшаяся в «живых», представляет собой гигантский газовый мир. Его масса составляет 1,4 ± 0,3 Юпитера, а расстояние до звезды 2,8 ± 0,5 астрономических единиц.
Ученые обнаружили планету, используя технику, называемую гравитационным микролинзированием, которое происходит, когда звезда, близкая к Земле, на мгновение выравнивается с более далекой звездой. Это создает явление, при котором гравитация звезды на переднем плане действует как линза и увеличивает свет звезды на заднем плане. Если есть планета, вращающаяся вокруг более близкой звезды, она временно искажает увеличенный свет, когда планета пролетает мимо.
Видео показывает звезду главной последовательности, которая превращается в красного гиганта, сжигая остатки водородного топлива, а затем превращается в белого карлика. Остается горячее плотное ядро размером примерно с Землю и примерно в половину массы Солнца. Газовый гигант, похожий на Юпитер, движется по далекой орбите, переживая взрывную трансформацию звезды.
Как ни странно, когда астрономы попытались найти звезду-хозяин планеты, они неожиданно обнаружили, что ее свет не был достаточно ярким, чтобы быть обычной звездой главной последовательности. Эти данные также исключают возможность присутствия коричневого карлика в качестве хозяина.
«Мы также смогли исключить возможность существования нейтронной звезды или черной дыры. Это означает, что планета вращается вокруг мертвой звезды, белого карлика», — говорит соавтор исследования профессор Жан-Филипп Болье из Institut d’Astrophysique de Paris. «Это дает представление о том, как будет выглядеть наша солнечная система после исчезновения Земли, вызванного катастрофической гибелью нашего Солнца».
Исследовательская группа планирует включить свои выводы в статистическое исследование, чтобы выяснить, сколько других белых карликов имеют неповрежденные планеты.
Предстоящая миссия НАСА, телескоп Нэнси Грейс Роман (ранее известный как WFIRST), направленная на получение прямых изображений экзопланет-гигантов, будет способствовать дальнейшим исследованиям. Телескоп сможет сделать гораздо более полный обзор планет, вращающихся вокруг белых карликов, расположенных в самой Галактической выпуклости в центре Млечного Пути.
Это позволит астрономам определить, часто ли планеты, подобные Юпитеру, выживают в подобных катастрофах, или значительная их часть разрушается к тому времени, когда их звезды-хозяева становятся красными гигантами.
Исследование было опубликовано в журнале Nature.