Земля может пережить гибель Солнца: новые модели дают шанс нашей планете

Исследовательская группа под руководством М. Эсселдейрса из Лёвенского университета (Бельгия), в сотрудничестве с учеными из французских исследовательских центров CEA и CNRS, опубликовала в журнале Astronomy & Astrophysics результаты численного моделирования, которые ставят под сомнение устоявшийся сценарий гибели Земли при превращении Солнца в красного гиганта. Ученые обнаружили, что использование новых, более физически обоснованных моделей приливного взаимодействия между звездой и планетой позволяет Земле пережить фазы расширения Солнца, тогда как прежние расчеты предсказывали ее неизбежное поглощение. Ключевым выводом работы стало то, что окончательная судьба нашей планеты зависит от двух плохо изученных параметров поздней звездной эволюции — эффективности диссипации приливной энергии в недрах гиганта и темпа потери массы на асимптотической ветви гигантов (AGB), причем современные наблюдательные данные не позволяют сделать однозначный выбор между сценариями выживания и гибели.

Судьба Земли в далеком будущем — это классическая задача астрофизики, которая решается на стыке звездной эволюции, небесной механики и гидродинамики. Когда Солнце исчерпает запасы водорода в своем ядре, оно покинет главную последовательность и начнет стремительно расширяться, превращаясь сначала в красный гигант, а затем в звезду асимптотической ветви гигантов. В этот момент его внешние слои могут достичь орбиты Земли, радиус составляет около 150 миллионов километров, или даже превзойти ее.

Однако, в отличие от упрощенных представлений, планета не является пассивным наблюдателем: одновременно с расширением Солнце интенсивно теряет массу через звездный ветер, что ослабляет его гравитационное притяжение и заставляет планеты мигрировать наружу. Этот эффект, известный как адиабатическое расширение орбиты, может спасти Землю, если она успеет «убежать» достаточно далеко. Но здесь в игру вступают приливные силы, которые действуют в противоположном направлении, они передают орбитальную энергию планеты во внутреннюю энергию звезды, постепенно сокращая расстояние между ними и увеличивая риск поглощения.

Главное новшество работы М.Эсселдейрса и его коллег это подход к расчету приливных сил. Раньше, начиная еще с 1960-х годов, астрофизики пользовались упрощенной теорией, где вся сложность приливов описывалась одной единственной величиной — временем, за которое горячие потоки газа перемешиваются внутри звезды. Считалось, что этого достаточно. Но современные исследования показали, что внутри раздутой звезды все устроено гораздо хитрее. Газ движется неравномерно, приливные волны от планеты могут порождать другие, внутренние волны, которые распространяются в более спокойных слоях звезды и рассеивают энергию по-разному, в зависимости от скорости движения планеты.

Эсселдейрс и его команда применили модель, которая рассчитывает эти потери энергии не в целом для звезды, а отдельно для каждого ее слоя, с учетом того, как вязкость зависит от частоты приливов. Эту модель проверили и откалибровали с помощью сложных компьютерных симуляций конвекции. И что самое важное, новая модель показывает, что для Земли, вращающейся вокруг раздутого Солнца, приливное торможение оказывается значительно слабее, чем считалось раньше. Именно поэтому в новых расчетах Земля уходит на более далекую орбиту и может благополучно пережить опасную фазу расширения звезды.

Что касается потери массы, то здесь исследователи столкнулись с еще большей неопределенностью. Во время фазы красного гиганта темпы истечения вещества относительно хорошо калибруются по наблюдениям. Авторы подтверждают, что Земля с высокой вероятностью переживет этот этап. Однако фаза AGB — это совсем другая история. Здесь потери массы могут различаться на порядки в зависимости от того, какой механизм доминирует: радиационное давление на пыль, импульсные тепловые пульсации или что-то еще.

Для моделирования этого этапа применяется параметризация Блёкера, в которой свободный коэффициент η может варьироваться от 0,01 до 0,5 и более. Чем меньше этот коэффициент, тем слабее звездный ветер, тем дольше звезда остается раздутой и тем меньше шансов у планеты спастись. Авторы показывают, что при значениях η = 0,01 и 0,02 Солнце во время тепловых пульсаций раздувается почти до орбиты Земли или даже перекрывает ее предел Роша, что делает поглощение практически неизбежным. При η, равном 0,05 и выше, планета осталась на безопасной орбите. Важно подчеркнуть, что даже при η = 0,02 и 0,03 ситуация остается двусмысленной, поскольку расширение происходит во время коротких тепловых пульсов, длящихся всего несколько сотен лет, и вопрос о том, успеет ли звезда захватить планету за это время, остается открытым и требует отдельного сложного моделирования с учетом обратной связи массы.

В качестве попытки привязать теоретические неопределенности к реальным данным ученые обратились к звезде L² Кормы. Это яркий представитель асимптотической ветви гигантов с начальной массой, почти идентичной солнечной (0,98 массы Солнца), что делает его идеальным аналогом для будущего состояния нашего светила. Вокруг этой звезды обнаружен пылевой диск, внутри которого, по некоторым данным, может скрываться планета-гигант. Однако даже для этого объекта оценки скорости потери массы разнятся кардинально.

Анализ пылевого излучения, которое исходит из внутренних областей околозвездной среды, дает значение около 10⁻⁶ солнечных масс в год. В пересчете на параметр Блёкера это соответствует η ≈ 2,5, что с огромным запасом гарантирует выживание Земли. Но наблюдения в линиях угарного газа (CO), которые чувствительны к более разреженным внешним оболочкам, дают значение почти на два порядка меньше — около 1,2×10⁻⁸ солнечных масс в год, что соответствует η ≈ 0,03. В этом случае сценарий становится крайне неопределенным и склоняется в пользу поглощения. Авторы подчеркивают, что метод на основе пыли лучше отслеживает вещество вблизи звезды, тогда как CO-метод показывает картину на больших расстояниях, и пока непонятно, какое из этих значений лучше описывает потерю массы, определяющую эволюцию орбиты. Различие этих оценок наглядно демонстрирует, насколько велика пропасть в наших знаниях о поздних стадиях звездной жизни.

Дополнительно авторы проверили, не могут ли гравитационные взаимодействия между планетами внутренней Солнечной системы изменить судьбу Земли. В предыдущих работах высказывалась гипотеза, что при миграции планет они могут входить в резонансы друг с другом, что способно раскачать их эксцентриситеты и сделать орбиты нестабильными. В данной работе показано, что Земля не пересекает ни одного резонанса первого порядка ни с Венерой, ни с Марсом на всем протяжении эволюции. Единственное событие — это пересечение резонанса 5:3 с Венерой во время фазы красного гиганта, но он относится к резонансам второго порядка и, как ожидается, окажет лишь незначительное возмущающее воздействие, которое не способно переломить общую картину, определяемую приливами и ветром. Это позволяет исключить планетарную динамику как основной источник неопределенности.

В итоге, работа Эсселдейрса и его коллег не дает окончательного ответа на вопрос о судьбе Земли, но радикально меняет саму постановку задачи. Если раньше поглощение планеты казалось почти неизбежным следствием эволюции Солнца, то теперь оно становится лишь одним из возможных сценариев, причем не самым вероятным, если ориентироваться на современные модели приливов.

Ученые показывают, что для уверенного предсказания необходимо одновременно решить две фундаментальные проблемы астрофизики: понять, как именно турбулентная конвекция взаимодействует с приливными волнами в недрах красных гигантов, и разработать надежные методы измерения потери массы на AGB, объединяющие данные инфракрасной, радио- и субмиллиметровой астрономии с новыми гидродинамическими симуляциями. Только тогда мы сможем с уверенностью сказать, суждено ли нашей планете стать очередным поглощенным объектом в долгой истории звезды или она превратится в холодный каменный мир, вращающийся вокруг остывающего белого карлика.

Таким образом, современное состояние астрофизики допускает два равновероятных исхода для Земли: гибель в раскаленной атмосфере Солнца-гиганта или выживание на расширенной орбите. Перевес в сторону того или иного сценария определяется исключительно точностью наших знаний о приливной диссипации и темпах звездного ветра на финальных стадиях жизни светила. С учетом наблюдательных данных по звезде-аналогу L² Кормы и использования новейших теоретических моделей приливов авторы склоняются к тому, что Земля, скорее всего, все же переживет превращение Солнца в красный гигант и избежит поглощения, но окончательное подтверждение этого оптимистичного прогноза потребует еще многих лет наблюдений и теоретических изысканий.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях