Новые подсказки о том, что произойдет, когда Солнце съест Землю | Журнал Кванта

Судьба Земли зависит от подбрасывания монеты.

Через 5 миллиардов лет наше Солнце превратится в красную гигантскую звезду. Выживет ли Земля — «открытый вопрос», сказал Мелинда Соарес-Фуртадо, астрофизик из Университета Висконсина, Мэдисон. Конечно, Земля может быть поглощена Солнцем и уничтожена. Но в некоторых сценариях Земля ускользает и выталкивается дальше в Солнечную систему.

Теперь соседняя планетная система дала ключ к разгадке космического будущего нашей планеты. На расстоянии около 57 световых лет от нас четыре планеты вращаются вокруг звезды, похожей на Солнце, возраст которой составляет 10 миллиардов лет — в два раза старше Солнца, и она уже находится на поздних стадиях своей жизни. Стивен Кейн, астрофизик, специализирующийся на обитаемости планет из Калифорнийского университета в Риверсайде, недавно смоделировал то, что может произойти на планеты старой системы, когда звезда через миллиард лет станет красным гигантом. Он обнаружил, что большинство внутренних планет будут поглощены, но самая внешняя известная планета, имеющая орбиту, аналогичную орбите Венеры, может выжить.

Преклонный возраст звезды облегчает моделирование ее расширения и дает более точный прогноз будущего нашей планетной системы. «Это очень интересная статья», — сказал Джонатон Зинк, астрофизик Калифорнийского технологического института. «Если мы сможем найти [больше] систем на различных стадиях звездной эволюции, мы, вероятно, сможем собрать воедино то, что [произойдет]».

Хрустящие миры

Когда планета поглощена, смерть может быть быстрой. В 2022 году Рикардо Ярса, звездный астрофизик из Калифорнийского университета в Санта-Крус, смоделировал что происходит когда красный гигант поглощает планету. Он обнаружил, что если планета находится достаточно близко к звезде, ее орбита быстро затухает. Газ в атмосфере звезды создает сопротивление планете, и «планета продолжает погружаться все глубже и глубже в звезду», — сказал Ярза. В течение нескольких сотен лет большинство планет будет уничтожено.

До недавнего времени эти последние моменты жизни обреченной планеты «никогда не наблюдались напрямую», сказал он. Кишалай Де, астроном Массачусетского технологического института. Но в 2020 году команда Де увидела, что звезда на расстоянии 12,000 XNUMX световых лет временно стала в несколько сотен раз ярче. Вспышка была слишком тусклой, чтобы возникнуть в результате слияния с другой звездой. Но это была именно та интенсивность, которая могла быть произведена едой размером с планету, Де и его коллеги. переправу в мае.

Команда предположила, что планета, в несколько раз более массивная, чем Юпитер, была захвачена, когда звезда возрастом 10 миллиардов лет начала расширяться в красного гиганта. «Это будущее нашей Солнечной системы», — сказал Де.

Наша развивающаяся звезда

Когда звезда главной последовательности, такая как наше Солнце, также называемая звездой G-типа или желтым карликом, достигает конца своей жизни, в ее ядре заканчивается водород, необходимый для питания ядерного синтеза. По мере того как звезда обращается к другим источникам топлива и теряет массу, ее ядро ​​становится все 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 станет настолько большим, что приблизится к орбите Земли — расстояние, известное как одна астрономическая единица, или а.е. Но оно может расшириться еще больше. «В некоторых моделях», — сказал Антонино Ланца, астроном Астрофизической обсерватории Катании в Италии, «он может поглотить Марс». Основная неопределенность, по его словам, заключается в том, сколько массы Солнце потеряет с возрастом; чем больше он проливает, тем меньше будет его конечный радиус. «Это плохо известно», — сказал он.

На данный момент наши лучшие оценки предполагают, что Солнце вырастет примерно до 0.85–1.5 а.е. Но по мере того, как звезда теряет массу, более слабое притяжение гравитации увеличит орбиту Земли, а это означает, что наша планета сможет избежать поглощения.

Чтобы увидеть будущее Земли, астрономы обращаются к хрустальному шару, наполненному чужеродными планетными системами. Их цель — найти звезды, похожие на Солнце, которые вскоре превратятся (или только что раздулись) в красных гигантов.

Вот почему Ро Корона Бореалис, ближайшая звезда желтого карлика, которая, как считается, подходит к концу своей солнечной жизни, привлекла внимание Кейна. Три из четырех известных планет вращаются близко к звезде, в пределах пути Венеры вокруг нашего Солнца. Самая дальняя планета, год которой длится 282 дня, по орбите похожа на Венеру.

Анализ Кейна, опубликован в прошлом месяце, 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 ее существенному разрушению», — сказал Кейн. «Даже камни на поверхности растают». Следующий мир, газовый гигант массой Юпитера, настолько велик, что он будет вращаться по спирали внутрь и разрываться гравитацией звезды, а не испаряться. Третья планета, меньшая по размеру планета массой Нептуна, вероятно, также будет поглощена и испарится.

Но самая дальняя планета — тоже массой примерно 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 сожмется и расширится, снова поглотив планету на несколько тысячелетий. Если планета сможет выжить, если с ней будут играть, как с мышкой кота, она сможет выйти из атмосферы, когда звезда сожмется в последний раз. «Так что в самом конце у него есть возможность сбежать», — сказал Кейн.

Кейн, например, оптимистично оценивает шансы планеты и то, что они могут означать для нашего мира. «Я подозреваю, что Земля двинется наружу и выживет», — сказал он.

The Great Escape

Если планете удастся избежать поглощения, ее шансы на более долгую жизнь будут многообещающими. Когда звезда, подобная нашему Солнцу, превращается в красного гиганта и сбрасывает свои внешние слои, в конечном итоге единственное, что остается, — это плотный, раскаленный добела звездный труп, известный как белый карлик. Эти объекты содержат половину массы исходной звезды и занимают площадь размером с Землю. Они должны продолжать гореть триллионы лет.

За последние два десятилетия учёные обнаружили горстка экзопланет на орбите белых карликов, сказал Мэри Энн Лимбах, учёный по экзопланетам из Мичиганского университета. Эти планеты пережили фазу красного гиганта своей звезды, хотя неясно, как именно. Некоторые из миров, которые, как правило, представляют собой более крупные газовые гиганты, вероятно, находились слишком далеко от своей звезды, чтобы их можно было проглотить, в то время как другие, возможно, были вытолкнуты наружу, когда звезда пыхтела и пыхтела. (Астрономы также видели доказательства того, что некоторые планеты были не так повезло в виде загрязненные белые карлики, которые богаты элементами, связанными с планетами, такими как магний и железо.) Ожидается, что продолжающиеся наблюдения с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) обнаружат еще десятки экзопланет, вращающихся вокруг белых карликов.

Какими бы необычными они ни казались, эти планетные системы все же могут быть обитаемы, сказал Лимбах, который руководит некоторыми наблюдениями JWST за белыми карликами. «Вокруг белого карлика есть место, где можно получить жидкую воду» на поверхности планеты, сказала она. Но «это очень сложная среда».

Дополнительные наблюдения за эволюционировавшими солнечными системами и больше моделей, подобных модели Кейна, могли бы дать лучшее представление о судьбе нашей собственной. На данный момент смерть нашей планеты — это бросок игральной кости в сторону от уверенности. Возможно, люди уже давно покинули поверхность Земли, но любой, кто посмотрит в нашу сторону через 5 миллиардов лет, может увидеть, как наша планета переживет предсмертное дыхание нашего Солнца — или, возможно, исчезнет в короткой вспышке света.

Quanta проводит серию опросов, чтобы лучше обслуживать нашу аудиторию. Возьми наш опрос читателей по физике и вы будете участвовать в бесплатном выигрыше Quanta товар.