Солнечная система может стать нестабильной ещё во время превращения Солнца в белый карлик
Будущее внешней части Солнечной системы может оказаться значительно более бурным, чем считалось раньше. Новое моделирование показывает, что Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун способны потерять нынешнюю устойчивость уже во время последних этапов жизни Солнца, если оно будет сбрасывать внешние слои не плавно, а отдельными неравномерными выбросами вещества.
Примерно через несколько миллиардов лет Солнце станет красным гигантом, сбросит значительную часть своей массы, а затем превратится в белый карлик. Раньше в расчётах обычно предполагалось, что потеря вещества происходит достаточно плавно. В таком случае орбиты внешних планет постепенно расширяются, но сама система остаётся сравнительно устойчивой.
Константин Батыгин и Джим Фуллер из Калифорнийского технологического института вместе с Фредом Адамсом из Мичиганского университета рассмотрели другой сценарий. Они предположили, что значительная часть вещества будет выбрасываться отдельными несимметричными порциями, каждая из которых слегка толкает Солнце в противоположную сторону.
Основанием для такой модели стали наблюдения белых карликов. Данные широких двойных систем показывают, что после своего формирования эти звёзды могут получать небольшую дополнительную скорость. Одно из возможных объяснений заключается именно в серии неравномерных выбросов вещества на поздних этапах эволюции звезды.
В основном варианте расчётов учёные моделировали около 4600 таких выбросов. Каждый из них удалял примерно одну десятитысячную массы Солнца и в среднем изменял скорость звезды примерно на 7 метров в секунду. По отдельности такие толчки почти незаметны, но их случайное направление постепенно меняет орбиты планет.
Всего исследователи провели 672 численных эксперимента с разной интенсивностью выбросов. В наиболее реалистичном, по мнению авторов, варианте орбиты планет-гигантов начинали пересекаться ещё до завершения потери массы в 37 из 48 моделирований.
К моменту образования белого карлика примерно в 40% таких расчётов система уже переживала сильное рассеяние планет или разрушение первоначальной структуры. В отдельных моделях Уран и Нептун менялись местами, планеты переходили на сильно вытянутые орбиты, а Сатурн выбрасывало из Солнечной системы всего через несколько миллионов лет.
Если продолжить расчёты ещё на 3 млрд лет после образования белого карлика, нестабильными становились более 80–90% систем при наиболее сильных и правдоподобных выбросах. Авторы поэтому оценивают характерное время существования нынешней архитектуры внешней Солнечной системы примерно в миллиард лет после превращения Солнца в белый карлик.
Ранее считалось, что даже после расширения орбит из-за потери солнечной массы Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун могут сохраняться около 30–100 млрд лет, пока систему не нарушит близкий пролёт другой звезды. Новый механизм способен сократить этот срок примерно в сто раз и сделать причиной разрушения не внешнее воздействие, а эволюцию самого Солнца.
Однако это не предсказание неизбежной судьбы Солнечной системы. Результат сильно зависит от того, действительно ли Солнце будет терять массу такими крупными и случайно направленными порциями. При достаточно плавной потере вещества проведённые авторами контрольные расчёты сохраняли внешнюю Солнечную систему устойчивой на протяжении миллиардов лет.
Поэтому исследование прежде всего показывает новый возможный механизм разрушения планетных систем вокруг стареющих звёзд. Если предложенная модель потери массы подтвердится наблюдениями, подобные события могут быть распространены и у других звёзд, заканчивающих жизнь в виде белых карликов.
Исследование в журнале The Astrophysical Journal Letters.