Земле не убежать от Солнца

Земля не сможет избежать поглощения Солнцем на его стадии красного гиганта

Земля обречена. Появившиеся в сентябре прошлого года надежды на то, что планета сможет избежать поглощения Солнцем, удалившись от него, не оправдались. Детальные расчёты показывают, что Солнце всё-таки поглотит Землю, и причиной этого станет влияние самой планеты на внешние слои светила.

В сентябре прошлого года в британском журнале Nature была опубликована статья итальянского астронома Роберто Сильвотти и его коллег, в которой описывался пример того, как планета может пережить предсмертное распухание своего солнца. Забрезжила надежда, что подобным образом и Земля способна избежать гибели. Однако новая работа мексиканских и британских астрономов показывает, что этот вариант для нас вряд ли реализуется: чтобы сбежать от Солнца — красного гиганта — орбита Земли должна быть как минимум на 15% шире, чем она есть.

Планета в системе V391 Пегаса, о которой речь шла в сентябрьской статье, смогла избежать поглощения внешними слоями звезды благодаря тому, что перешла на более далёкую орбиту. Причина такой миграции очень проста — звезда на поздних этапах эволюции интенсивно теряет массу, и её притяжение ослабевает, а из-за этого радиус планетной орбиты понемногу увеличивается. Если всё происходит достаточно медленно, то орбита даже остаётся более или менее круглой.

Подобное происходит и в нашей планетной системе. По самой знаменитой формуле Альберта Эйнштейна E=mc² излучение энергии с поверхности Солнца приводит к медленной потере массы. Медленной, конечно, лишь по астрономическим масштабам — ежесекундно Солнце «худеет» на 4,5 миллиона тонн лишь за счёт излучения света. А есть ещё нейтрино, покидающие термоядерную топку в центре светила, не замечая его внешних слоёв, а также протуберанцы и заряженные частицы, ускоряемые солнечными вспышками. И всё-таки несколько миллионов тонн для Солнца, масса которого составляет 2*10²⁷ тонн — не так много. Орбита Земли из-за такой потери массы расширяется примерно на сантиметр в год.

Масштабы «похудания» становятся совершенно иными на поздних стадиях эволюции звёзд.

Все звёзды проводят большую часть своей активной жизни, черпая энергию из реакций термоядерного синтеза по превращению водорода в гелий. Для таких реакций нужны чудовищные температура и давление, поэтому идут они лишь в самом центре звезды. Запасов ядерного топлива хватает на миллионы лет и миллиарды лет — парадоксально, но дольше живут именно маленькие звёзды, поскольку большие слишком ярко светят, буквально не жалея себя.

Красные гиганты

Звезды небольшой массы спокойно живут до тех пор, пока весь водород в их центрах не превратится в гелий. Снаружи водород ещ есть, но в центре «гореть» уже нечему и нечем, таким образом, уравновешивать гидростатическое давление внешних слоев звезды. В результате ядро сжимается и нагревается, и при более высокой плотности и температуре начинается сплавление водорода в гелий в так называемом слоевом источнике, окружающем гелиевое ядро.

Энергетический выход реакции синтеза очень сильно зависит от температуры, поэтому светимость звезды резко, в сотни и тысячи раз возрастает. Внешние слои е, которые не в состоянии излучать так много энергии, также разбухают, радиус звезды увеличивается в десятки и сотни раз. При этом температура внешних слов даже слегка снижается, и звезда становится красной.

По мере того, как водород в слоевом источнике превращается в гелий, его количество может стать достаточным для начала реакции синтеза трех ядер гелия в ядро углерода – происходит гелиевая вспышка. Если же по каким-либо причинам звезда, в центре которой «горит» гелий теряет атмосферу, она превращается в горячий субкарлик, в котором массивное гелиевое ядро окружает тонкая водородная атмосфера.

Когда горение всех элементов прекращается, внешние слои рассеиваются, а поддерживать равновесие ядра начинает квантовое вырождение электронов – звезда превращается в белый карлик, дальнейшая судьба которого – медленно остывать.

Однако рано или поздно топливо кончается, и звезда, лишившись поддержки источника энергии в своём центре, чуть сжимается и разогревается. «Загорается» так называемый слоевой источник — область вокруг центра звезды, в которой водород ещё остался, в отличие от самого центра, куда, будучи более тяжелыми, опускаются ядра гелия. Энергия здесь производится совсем не в тех количествах, что прежде, поэтому внутренняя структура звезды перестраивается, а её внешние слои многократно увеличиваются в размерах. Звезда становится чуть холоднее, из-за чего становится красной, однако громадные размеры заставляют её светиться в тысячи раз ярче, чем прежде — наступает стадия красного гиганта.

Наивные расчёты показывают, что Солнце, превратившись в красного гиганта, увеличится в размерах более чем двухсоткратно, поглотив при этом и Меркурий с Венерой, и Землю, и даже Марс. Учёт потери массы на стадии красного гиганта, а также следующей за ней фазе асимптотической ветви гигантов, и соответствующее расширение орбит планет сохраняют Марс нетронутым. Однако судьба Земли — наверное, самой интересной для нас планеты — остаётся всё ещё спорной; разные модели предсказывают то поглощение нашей родины, то благополучный исход — впрочем, лишь для самой планеты, а не биосферы на её раскалённой огромным близким светилом поверхности.

По мнению Клауса-Питера Шрёдера и Роберта Смита, правы, увы, первые модели. Работа учёных принята к публикации в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Шрёдеру и Смиту, воспользовавшихся самыми точными на сегодняшний момент моделями, откалиброванными на наблюдениях множества реально существующих звёзд, впервые удалось подробно учесть не только расширение орбит из-за потери массы, но и обратное влияние планеты на поверхность светила.

И именно это взаимодействие обрекает Землю на исчезновение в горячем теле нашего светила.

Дело в том, что на внешние слои будет действовать земное притяжение, которое вызовет на поверхности небольшую приливную волну. Приливные волны всегда немного отстают от тех светил, что их вызывают — широко известно, что на Земле максимальные приливы даже в сизигиях (когда Солнце и Луна находятся на одной линии относительно Земли) слегка отстают от момента, когда Луна максимально высоко поднимается над поверхностью в данном месте планеты.

Отставание крохотных приливных горбов, которые уже Земля образует на Солнце, приведёт к тому, что их притяжение будет, в свою очередь, чуть притормаживать движение Земли по орбите, из-за чего даже потеря массы не позволит нашей планете убежать от распухшего Солнца. Внесёт свой вклад и трение о внешние, разреженные области хромосферы светила.

Детальные расчёты показывают, что выжить Земля могла бы лишь в случае, если её сегодняшняя орбита была бы всего на 15% шире. А Земле на её нынешнем удалении от Солнца неизбежно светит оказаться внутри его распухших внешних слоёв.

Впрочем, произойдёт это не скоро — от печального конца планету отделяют ещё 7,59 миллиардов лет.

К тому моменту Солнце будет на треть легче, чем сейчас. Это обстоятельство также позволило авторам представить, как будет выглядеть наше светило по окончании своей жизни. По их расчётам, следующая за стадией красного гиганта фаза жизни — а скорее, даже гибели — Солнца (она называется стадия асимптотической ветви гигантов) будет достаточно скромной. Через 150 миллионов лет после максимального распухания светило вновь распухнет, однако, в отличие от большинства звёзд, не достигнет максимальных размеров на предыдущей стадии.

Кроме того, оно не сможет произвести достаточно сильного пылевого звёздного ветра, чтобы разогнать внешние слои звезды, превратив её в классическую планетарную туманность. После гибели Солнца и Земли на месте системы останется лишь околозвёздная оболочка массой в несколько процентов солнечной, в центре которой будет находиться белый карлик. Отсутствие планетарной туманности вокруг этой крохотной звезды делает финальную картину ещё более безрадостной, чем та, что так опечалила президента России Владимира Путина весной прошлого года.