Последние исследования, посвящённые изучению стареющей планетной системы, расположенной за пределами нашей Солнечной системы, позволяют нам лучше понять, что ждёт Землю, когда Солнце начнёт свой долгий путь к превращению в красного гиганта.
По мере того как Солнце будет стареть, оно будет увеличиваться в размерах, и его поверхность будет расширяться. В конечном итоге оно может поглотить Землю и уничтожить её. Судьба нашей планеты зависит от множества случайных факторов.
Через пять миллиардов лет Солнце станет красным гигантом. Выживет ли Земля? Это вопрос, на который пока нет ответа, — говорит Мелинда Соареш-Фуртадо, астрофизик из Университета Висконсина в Мэдисоне.
Конечно, есть вероятность того, что Земля будет поглощена Солнцем и уничтожена. Однако существуют и другие сценарии, в которых Земля может избежать этой участи и быть вытолкнутой на более дальнюю орбиту.
Исследование соседней планетной системы дало ключ к пониманию будущего нашей планеты. На расстоянии около 57 световых лет от нас находится система из четырёх планет, которые вращаются вокруг звезды, похожей на Солнце. Возраст этой звезды составляет 10 миллиардов лет, что в два раза больше возраста нашего Солнца. Она уже находится на поздних этапах своей жизни.
Стивен Кейн, астрофизик из Калифорнийского университета в Риверсайде, смоделировал, что может произойти с планетами через миллиард лет, когда звезда станет красным гигантом. Он обнаружил, что большинство внутренних планет, то есть тех, чьи орбиты находятся ближе к звезде, будут поглощены. Однако самая дальняя планета, чья орбита аналогична орбите Венеры, может выжить.
Изучение стареющих звёзд позволяет лучше понять их эволюцию и предсказать будущее нашей планетной системы. «Это очень интересная статья», — говорит Джонатон Зинк, астрофизик из Калифорнийского технологического института. «Если мы сможем найти больше систем на разных этапах эволюции звёзд, мы, вероятно, сможем понять, что произойдёт».
Когда планета поглощается звездой, её гибель может быть стремительной. В 2022 году Рикардо Ярза, звёздный астрофизик из Калифорнийского университета в Санта-Круз, смоделировал процесс поглощения планеты красным гигантом.
Он обнаружил, что если планета находится достаточно близко к звезде, её орбита быстро разрушается. Газ в атмосфере звезды создаёт сопротивление планете, и она продолжает погружаться всё глубже и глубже в звезду, — сказал Ярза. В течение нескольких сотен лет большинство планет будет уничтожено.
До недавнего времени эти последние моменты жизни обречённой планеты никогда не наблюдались напрямую, — сказал Кишалай Де, астроном из Массачусетского технологического института. Но в 2020 году команда Де увидела, что звезда на расстоянии 12 000 световых лет временно стала в несколько сотен раз ярче. Вспышка была слишком слабой, чтобы возникнуть в результате слияния с другой звездой. Но, как сообщили Де и его коллеги в мае, это была именно та интенсивность, которую можно было получить из «куска пищи» размером с планету.
Команда предположила, что планета в несколько раз больше Юпитера была захвачена, когда звезда возрастом 10 миллиардов лет начала расширяться в красного гиганта. «Это будущее нашей Солнечной системы», — сказал Де.
Звезда в процессе эволюции
Звезда, подобная нашему Солнцу, которая находится в стабильном состоянии и известна как звезда главной последовательности, также называемая жёлтым карликом, достигает конца своего жизненного цикла. В её ядре заканчивается водород, необходимый для ядерного синтеза.
По мере того как звезда начинает использовать другие источники топлива и терять массу, её ядро становится всё горячее, а атмосфера раздувается в течение миллионов лет. В конце концов, наше Солнце станет более чем в 200 раз шире своего нынешнего размера.
Это разрастающееся Солнце поглотит Меркурий и, возможно, Венеру, прежде чем достигнет орбиты Земли. Но оно может расшириться ещё больше.
«В некоторых моделях, — говорит Антонино Ланца, астроном из Астрофизической обсерватории Катании в Италии, — оно может поглотить Марс». Основная неопределённость заключается в том, сколько массы Солнце потеряет с возрастом: чем больше оно потеряет, тем меньше будет его конечный радиус.
На данный момент наши лучшие оценки предполагают, что Солнце вырастет примерно до 0,85–1,5 а.е. Но по мере того, как звезда будет терять массу, ослабление её притяжения увеличит орбиту Земли, а это означает, что наша планета сможет избежать поглощения.
Чтобы увидеть будущее Земли, астрономы изучают Вселенную в поисках других планетных систем. Их цель — найти звёзды, похожие на Солнце, которые вскоре превратятся (или уже превратились) в красных гигантов.
Именно поэтому Rho Coronae Borealis, ближайшая звезда-жёлтый карлик, которая, как считается, приближается к концу своей солнечной жизни, привлекла внимание Кейна. Три из четырёх известных планет вращаются близко к звезде, в пределах орбиты нашей Венеры. Самая дальняя планета, год на которой длится 282 дня, по орбите похожа на Венеру.
Анализ Кейна, опубликованный в прошлом году, показывает, что растущая звезда поглотит три внутренние планеты. Самый внутренний из этих миров, который считается скалистым и почти в четыре раза тяжелее Земли, испарится в течение нескольких сотен лет. «Плазма перегревает планету и приводит к её значительному разрушению», — сказал Кейн. «Даже камни на поверхности расплавятся».
Следующий мир, газовый гигант массой с Юпитер, настолько велик, что он будет вращаться по спирали внутрь и разрываться гравитацией звезды, а не испаряться. Третья, меньшая по размеру планета массой с Нептун, вероятно, также будет поглощена и испарится.
Но самая дальняя планета — тоже массой с Нептун — может выжить. По мере расширения звезды она временно поглотит планету на несколько тысяч лет. За это время экстремальные температуры поджарят поверхность планеты, но сама планета должна выжить, поскольку на таком расстоянии атмосфера звезды не очень плотная. Затем звезда снова сожмётся и вновь расширится, поглотив планету на несколько тысячелетий. Если планета сможет выжить, если с ней будут играть, как кот с мышкой, она сможет выйти из атмосферы, когда звезда сожмётся в последний раз. «Так что в самом конце у неё есть шанс сбежать», — сказал Кейн.
Кейн, например, оптимистично оценивает шансы планеты и то, что они могут означать для нашего мира. «Я подозреваю, что Земля переместится наружу и выживет», — сказал он.
Сможет ли Земля избежать свою участь?
Если планете удастся избежать поглощения, её шансы на более долгую жизнь будут велики. Когда звезда, подобная нашему Солнцу, превращается в красного гиганта и сбрасывает свои внешние слои, в конечном итоге остаётся только плотный, раскалённый добела звёздный «труп», известный как белый карлик. Эти объекты содержат половину массы исходной звезды и имеют размер примерно с Землю. Они будут продолжать гореть ещё триллионы лет.
За последние два десятилетия учёные обнаружили группу экзопланет, вращающихся вокруг белых карликов, как рассказала Мэри Энн Лимбах, специалист по экзопланетам из Мичиганского университета. Эти планеты пережили фазу красного гиганта своей звезды, хотя неясно, как именно это произошло. Некоторые из миров, которые обычно представляют собой более крупные газовые гиганты, вероятно, находились слишком далеко от своей звезды, чтобы их можно было поглотить, в то время как другие, возможно, были вытолкнуты наружу, когда звезда сжималась и расширялась.
Однако не всем планетам так повезло. Были обнаружены загрязнённые белые карлики, богатые элементами, связанными с планетами, такими как магний и железо.
Продолжающиеся наблюдения с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба помогут обнаружить ещё десятки экзопланет, вращающихся вокруг белых карликов.
Несмотря на свою необычность, эти планетные системы всё же могут быть обитаемыми, как считает Лимбах, которая руководит некоторыми из наблюдений за белыми карликами с помощью JWST. «Вокруг белого карлика есть место, где может быть жидкая вода на поверхности планеты», — сказала она. Но «это очень сложная среда».
Дальнейшие наблюдения за эволюционировавшими солнечными системами и больше моделей, подобных модели Кейна, могли бы дать более полное представление о судьбе нашей собственной солнечной системы. На данный момент смерть нашей планеты остаётся неопределённой. Возможно, люди уже давно покинут поверхность Земли к тому времени, когда Солнце начнёт расширяться, но любой, кто посмотрит в нашу сторону через 5 миллиардов лет, сможет увидеть, как наша планета переживёт предсмертное дыхание нашего Солнца — или, возможно, исчезнет в короткой вспышке света.
Заключение
В любом случае, независимо от того, поглотит ли Солнце земную орбиту или нет, через миллиард лет жизнь на Земле станет невозможной. Это произойдёт из-за увеличения яркости Солнца на 10% и повышения средней глобальной температуры поверхности Земли до 47 °C (в настоящее время она составляет всего 15 °C).
При этом концентрация углекислого газа упадёт ниже критического порога (около 50 частей на миллион), необходимого для поддержания фотосинтеза большинства растений. Деревья и леса в их нынешней форме уже не смогут существовать.
Некоторые растения, использующие более эффективный фотосинтез (около 10 частей на миллион), ещё некоторое время смогут жить. Но повышение температуры всё равно приведёт к испарению океанов, которые вскоре исчезнут. Это вызовет парниковый эффект и гибель большей части живого.
Некоторые микроскопические формы жизни смогут существовать ещё в течение примерно миллиарда лет и вымрут, когда глобальная температура планеты превысит 149 °C.
У человечества осталось не так много времени, чтобы найти новую планету. Первым убежищем мог бы стать Марс, а затем, по мере превращения Солнца в красного гиганта, спутники Юпитера.
