Zagłada Układu Słonecznego przesądzona. Planety stracą stabilność

Za około 5 mld lat Słońce zacznie umierać. Przez długi czas astronomowie zakładali, że jego śmierć będzie oznaczała przede wszystkim koniec Ziemi i pozostałych planet znajdujących się blisko gwiazdy. Jowisz, Saturn, Uran i Neptun miały natomiast przetrwać przemianę Słońca w białego karła i krążyć wokół jego pozostałości przez niewyobrażalnie długi czas, nawet 100 mld lat.

Z najnowszych obliczeń wyłania się jednak znacznie bardziej niepokojący scenariusz. Śmierć Słońca może rozregulować nawet zewnętrzną część Układu Słonecznego, a olbrzymie planety mogą zostać wyrzucone ze swoich orbit albo zderzyć się ze sobą. Co więcej, pierwsze oznaki kosmicznego chaosu mogą pojawić się jeszcze wtedy, gdy Słońce będzie czerwonym olbrzymem.

Układ Słoneczny powstał około 4,57 mld lat temu. W jego centrum znalazło się Słońce, które skupia około 99,86 proc. całej masy naszego układu planetarnego. To właśnie jego ogromna grawitacja utrzymuje Ziemię, Jowisza, Saturna i pozostałe planety na orbitach.

Słońce nie będzie jednak świecić wiecznie. Obecnie znajduje się mniej więcej w połowie swojego życia jako gwiazda ciągu głównego. Za około 5 mld lat zacznie kończyć zapasy wodoru wykorzystywanego w reakcjach termojądrowych. W kolejnych etapach zacznie puchnąć, stając się czerwonym olbrzymem.

Wtedy to los wewnętrznych planet będzie w zasadzie przesądzony. Słońce może rozszerzyć swoje zewnętrzne warstwy na tyle, że Merkury i Wenus zostaną pochłonięte. Los Ziemi nie będzie lepszy. Nawet jeśli uniknęłaby bezpośredniego wchłonięcia przez czerwonego olbrzyma, jej powierzchnia już wcześniej stanie się całkowicie niezdatna do życia. Najważniejsze jest jednak to, co wydarzy się znacznie dalej od Słońca.

Astronomowie zakładali dotychczas, że zewnętrzna część Układu Słonecznego jest wyjątkowo stabilna. Jowisz, Saturn, Uran i Neptun znajdują się tak daleko od Słońca, że nawet jego przemiana w białego karła nie powinna natychmiast doprowadzić do katastrofy.

Powód jest prosty. Gdy Słońce straci znaczną część swojej masy, jego grawitacyjne oddziaływanie na planety osłabnie. Orbity planet powinny więc stopniowo się rozszerzać.

W klasycznych modelach zakładano jednak, że utrata masy będzie przebiegać stosunkowo płynnie. W takim scenariuszu zewnętrzne planety mogłyby przetrwać około 100 mld lat, a ich naturalny czas stabilności dynamicznej szacowano wcześniej na około 10^18 lat. To liczba tak wielka, że trudno ją sobie wyobrazić - miliard miliardów lat.

Nowa praca zespołu Konstantina Batygina z California Institute of Technology podważa jednak jedno z kluczowych założeń tych obliczeń. Wyniki jego badań opublikowano w The Astrophysical Journal Letters.

Naukowiec zwrócił uwagę na coś, co można nazwać kosmicznym odpowiednikiem szarpnięcia. Podczas utraty masy Słońce nie musi wyrzucać materii idealnie równomiernie we wszystkich kierunkach.

Zamiast spokojnego, jednostajnego procesu mogą występować gwałtowne i przypadkowe wyrzuty materii. Każdy taki epizod działa jak niewielkie kopnięcie całej gwiazdy. A skoro planety są związane z nią grawitacyjnie, zmiana ruchu Słońca wpływa również na ich orbity.

To właśnie te przypadkowe zaburzenia naukowcy określają mianem stochastic kicks, czyli losowych lub stochastycznych kopnięć, seria wielu zaburzeń, które przez długi czas mogą stopniowo zmieniać układ orbit.

W rezultacie orbity planet zamiast pozostawać w niemal niezmiennym układzie, mogą powoli przesuwać się i zmieniać swoją wzajemną konfigurację. To prowadzi do najważniejszego elementu nowego scenariusza. Gdy orbity wielkich planet zostaną odpowiednio zaburzone, mogą zacząć się przecinać.

Wtedy Układ Słoneczny przestaje przypominać spokojny mechanizm zegarka. Grawitacja Jowisza wpływa na Saturna, Saturn oddziałuje na Urana, a Uran na Neptuna. Jeśli ich orbity znajdą się w odpowiednich konfiguracjach, niewielkie początkowo zaburzenia mogą zostać wzmocnione. Będziemy mieli do czynienia z dodatnim sprzężeniem zwrotnym, czyli zmianą, która powoduje jeszcze większą zmianę.

Naukowiec wykonał setki numerycznych symulacji, w których śledzili ruch Słońca oraz czterech planet olbrzymów przez ogromne okresy czasu. W modelach uwzględnił właśnie nieregularny charakter utraty masy przez umierającą gwiazdę.

Wynik jest zaskakujący. W około 40 proc. symulacji dochodziło do destabilizacji lub gwałtownego rozpraszania planet jeszcze podczas fazy czerwonego olbrzyma, zanim Słońce ostatecznie stało się białym karłem. To oznacza, że nie trzeba nawet czekać na moment, w którym Słońce stanie się małą, niezwykle gęstą pozostałością gwiazdy. Sam proces jego umierania może wystarczyć, aby rozpocząć kosmiczną katastrofę.

Najbardziej uderzająca jest skala różnicy między wcześniejszymi przewidywaniami a nowym modelem.

Wcześniej zakładano, że zewnętrzny Układ Słoneczny może pozostawać dynamicznie stabilny nawet przez około wspomniany miliard miliardów lat. Nowe symulacje sugerują natomiast, że po powstaniu białego karła jego zewnętrzna część może zacząć się rozpadać w skali około miliarda lat.

W najbardziej niepokojącym scenariuszu chaos może zacząć się jeszcze przed powstaniem białego karła. W badaniach około 40 proc. symulowanych układów ulegało destabilizacji już podczas fazy czerwonego olbrzyma, a około 90 proc. kończyło się rozpadem lub gwałtownym rozpraszaniem zewnętrznego Układu Słonecznego w ciągu 3 mld lat od powstania białego karła.

Przez miliardy lat grawitacja Słońca utrzymywała planety w uporządkowanym układzie. Ta sama gwiazda, która umożliwiła powstanie stabilnego środowiska dla Ziemi i życia, może w końcowej fazie swojego istnienia doprowadzić do rozpadu tego układu.

Nie będzie to jednak eksplozja przypominająca supernową. Słońce jest zbyt małą gwiazdą, aby zakończyć życie w taki sposób. Jego śmierć będzie znacznie spokojniejsza w sensie energetycznym, ale z punktu widzenia mechaniki orbitalnej może okazać się wyjątkowo destrukcyjna.

Najpierw ogromne zwiększenie rozmiarów Słońca i utrata masy zmienią warunki panujące w wewnętrznej części układu. Później przypadkowe wyrzuty materii mogą zaburzać ruch całej gwiazdy. Z czasem te drobne zmiany mogą zostać wzmocnione przez wzajemną grawitację planet, prowadząc do ich coraz bardziej chaotycznych orbit.