Καθώς ο Ήλιος μετατρέπεται σε λευκό νάνο, είναι πιθανές διαταραχές ή εκτοπίσεις των υπολοίπων πλανητών μέσα σε αιώνες
Το ηλιακό σύστημα μετά τη φάση της ερυθρής γίγαντας
Περίπου σε ~5 δισ. χρόνια ο Ήλιος μας θα συνεχίσει τη σύντηξη υδρογόνου στον πυρήνα του (στη βασική ακολουθία). Ωστόσο, όταν εξαντληθεί αυτό το καύσιμο, θα περάσει στις φάσεις της ερυθρής γίγαντας και της ασυμπτωτικής γιγάντιας κλάσης, θα χάσει μεγάλο μέρος της μάζας του και τελικά θα μετατραπεί σε λευκό νάνο. Κατά τα τελευταία αυτά στάδια, οι τροχιές των πλανητών – ιδιαίτερα των εξωτερικών γιγάντων – μπορεί να αλλάξουν λόγω απώλειας μάζας, βαρυτικών παλιρροιακών δυνάμεων ή, αν βρίσκονται αρκετά κοντά, αντίστασης από το αστρικό άνεμο. Οι εσωτερικοί πλανήτες (Ερμής, Αφροδίτη, πιθανώς και η Γη) πιθανότατα θα καταποθούν, αλλά οι υπόλοιποι μπορεί να επιβιώσουν σε τροχιές που έχουν αλλάξει. Σε πολύ μεγάλες χρονικές κλίμακες (δεκάδες δισεκατομμύρια χρόνια), άλλοι παράγοντες όπως τυχαία περάσματα αστέρων ή γαλαξιακές παλίρροιες θα αναδιατάξουν ή θα διαλύσουν περαιτέρω αυτό το σύστημα. Παρακάτω αναλύουμε λεπτομερώς κάθε φάση και τις πιθανές συνέπειες.
2. Κύριοι παράγοντες της δυναμικής του όψιμου ηλιακού συστήματος
2.1 Απώλεια μάζας του Ήλιου στα στάδια της ερυθράς γίγαντας και AGB
Κατά το στάδιο της ερυθράς γίγαντας και αργότερα στην AGB (κλάδος ασυμπτωτικής γίγαντας), το εξωτερικό μέρος του Ήλιου διευρύνεται και σταδιακά χάνεται μέσω αστρικών ανέμων ή ισχυρών παλμικών εκπομπών. Υπολογίζεται ότι μέχρι το τέλος της AGB ο Ήλιος μπορεί να χάσει περίπου 20–30% της μάζας του:
- Φωτεινότητα και ακτίνα: Η φωτεινότητα του Ήλιου αυξάνεται έως και χιλιάδες φορές την τρέχουσα, η ακτίνα μπορεί να φτάσει περίπου 1 AU ή περισσότερο στο στάδιο της ερυθράς γίγαντας.
- Ρυθμός απώλειας μάζας: Μέσα σε μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια, ισχυροί άνεμοι απομακρύνουν σταδιακά τα εξωτερικά στρώματα, σχηματίζοντας στο τέλος πλανητικό νεφέλωμα.
- Επίδραση στις τροχιές: Η μειωμένη μάζα του αστέρα εξασθενεί τη βαρυτική του επίδραση, έτσι οι τροχιές των επιζώντων πλανητών διευρύνονται, σύμφωνα με την απλή σχέση δύο σωμάτων, όπου a ∝ 1/M☉. Με άλλα λόγια, αν η μάζα του Ήλιου μειωθεί στο 70–80%, οι ημιαξονες των πλανητών μπορούν να αυξηθούν αναλογικά [1,2].
2.2 Κατάποση εσωτερικών πλανητών
Ερμής και Αφροδίτη σχεδόν βέβαιο ότι θα καταποθούν από το διογκωμένο εξωτερικό του Ήλιου. Η Γη βρίσκεται στα όρια – ορισμένα μοντέλα δείχνουν ότι η απώλεια μάζας μπορεί να διευρύνει αρκετά την τροχιά της ώστε να αποφύγει την πλήρη βύθιση, αλλά οι παλιρροιακές δυνάμεις μπορεί παρ' όλα αυτά να την καταστρέψουν. Μετά το στάδιο AGB, πιθανόν να επιβιώσουν μόνο οι εξωτερικοί πλανήτες (από τον Άρη και πέρα) καθώς και νάνοι και μικρά σώματα, αν και με τροχιές τροποποιημένες.
2.3 Σχηματισμός λευκής νάνου
Στο τέλος της AGB, ο Ήλιος εκτοξεύει τα εξωτερικά στρώματα μέσα σε δεκάδες χιλιάδες χρόνια, σχηματίζοντας πλανητικό νεφέλωμα. Παραμένει ο πυρήνας της λευκής νάνου (~0,5–0,6 ηλιακές μάζες), όπου δεν λαμβάνει χώρα σύντηξη· απλώς ακτινοβολεί θερμική ενέργεια και ψύχεται για δισεκατομμύρια ή ακόμα και τρισεκατομμύρια χρόνια. Η μειωμένη μάζα σημαίνει ότι οι επιζώντες πλανήτες έχουν διευρυμένες ή διαφορετικά τροχιές, που καθορίζουν τη μακροχρόνια δυναμική σε μια νέα αναλογία μάζας αστέρα–πλανήτη.
3. Η μοίρα των εξωτερικών πλανητών – Δία, Κρόνου, Ουρανού, Ποσειδώνα
3.1 Διεύρυνση τροχιών
Κατά το στάδιο απώλειας μάζας της ερυθράς γίγαντας και της AGB, οι τροχιές του Δία, Κρόνου, Ουρανού και Ποσειδώνα θα διευρυνθούν αδιαβατικά λόγω της μειούμενης μάζας του Ήλιου. Περίπου, ο τελικός ημιαξονας af μπορεί να εκτιμηθεί αν η διάρκεια απώλειας μάζας είναι μεγάλη σε σύγκριση με την τροχιακή περίοδο:
a(f) ≈ a(i) × (M(⊙,i) / M(⊙,f))
Όπου M⊙,i είναι η αρχική μάζα του Ήλιου, και M⊙,f – τελική (~0,55–0,6 M☉). Οι τροχιές μπορεί να αυξηθούν κατά ~1,3–1,4 φορές, αν ο αστέρας χάσει ~20–30% της μάζας του. Π.χ., ο Δίας σε απόσταση ~5,2 AU μπορεί να απομακρυνθεί έως ~7–8 AU, ανάλογα με την τελική μάζα. Παρόμοια επέκταση αναμένεται και για τον Κρόνο, τον Ουρανό και τον Ποσειδώνα [3,4].
3.2 Μακροχρόνια σταθερότητα
Όταν ο Ήλιος γίνει λευκός νάνος, το πλανητικό σύστημα θα μπορούσε να επιβιώσει για δισεκατομμύρια χρόνια ακόμα, αν και επεκταμένο. Ωστόσο, μακροπρόθεσμα μπορεί να εμφανιστούν παράγοντες που θα το αποσταθεροποιήσουν:
- Αλληλεπιδράσεις μεταξύ πλανητών: Σε γιγαέτη (109 έτη), οι συντονισμοί ή τα χαοτικά φαινόμενα μπορούν να συσσωρευτούν.
- Διελεύσεις αστέρων: Ο Ήλιος κινείται στον Γαλαξία, οπότε οι κοντινές προσεγγίσεις αστέρων (μερικές χιλιάδες AU ή λιγότερο) μπορούν να διαταράξουν τις τροχιές.
- Γαλαξιακές παλίρροιες: Σε κλίμακα δεκάδων ή εκατοντάδων δισεκατομμυρίων ετών, οι ασθενείς γαλαξιακές παλίρροιες μπορούν να επηρεάσουν τις εξωτερικές τροχιές.
Ορισμένα μοντέλα δείχνουν ότι ~1010–1011 Με την πάροδο των ετών, οι τροχιές των γιγάντιων πλανητών μπορεί να γίνουν αρκετά χαοτικές, προκαλώντας εκτοπίσεις ή συγκρούσεις. Ωστόσο, αυτοί είναι μακροπρόθεσμοι χρόνοι και το σύστημα μπορεί να παραμείνει τουλάχιστον εν μέρει αμετάβλητο, εφόσον δεν υπάρξουν ισχυρές διαταραχές. Τελικά, η σταθερότητα εξαρτάται επίσης από το τοπικό αστρικό περιβάλλον.
3.3 Παραδείγματα πλανητών που μπορούν να επιβιώσουν
Συχνά αναφέρεται ότι ο Δίας (με τη μεγαλύτερη μάζα) και οι δορυφόροι του μπορούν να επιβιώσουν περισσότερο, παραμένοντας γύρω από το λευκό νάνο. Ο Κρόνος, ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας είναι πιο ευάλωτοι στην εκτόπιση λόγω αλληλεπιδράσεων με τις αναταραχές που προκαλούνται από τον Δία. Ωστόσο, τέτοιοι διαδικασίες τροχιακής μεταβολής μπορεί να διαρκέσουν από δισεκατομμύρια έως τρισεκατομμύρια χρόνια, οπότε ένα μέρος της δομής του ηλιακού συστήματος θα μπορούσε να υπάρχει για πολύ καιρό κατά την περίοδο ψύξης του λευκού νάνου.
4. Μικρά σώματα: αστεροειδείς, ζώνη του Κάιπερ και νέφος Όορτ
4.1 Αστεροειδείς του εσωτερικού δακτυλίου
Τα περισσότερα σώματα του κύριου δακτυλίου αστεροειδών (2–4 AU) βρίσκονται σχετικά κοντά στον Ήλιο. Η απώλεια μάζας και οι βαρυτικοί συντονισμοί θα μπορούσαν να μετακινήσουν τις τροχιές τους πιο μακριά. Αν και ο «φλοιός» της κόκκινης γίγαντας μπορεί να εκτείνεται έως ~1–1,2 AU και να μην καλύπτει άμεσα τον κύριο δακτύλιο, ο ενισχυμένος αστρικός άνεμος ή η ακτινοβολία θα μπορούσαν να προκαλέσουν επιπλέον διασπορά ή συγκρούσεις. Μετά το στάδιο AGB, ένα μέρος των αστεροειδών θα επιβιώσει, αλλά οι χαοτικοί συντονισμοί με τους εξωτερικούς πλανήτες θα εκτοπίσουν μερικούς.
4.2 Ζώνη του Κάιπερ, διασκορπισμένος δίσκος
Ζώνη του Κάιπερ (~30–50 AU) και διασκορπισμένος δίσκος (50–100+ AU) πιθανότατα δεν θα συγκρουστούν με το φυσικό φλοιό της κόκκινης γίγαντας, αλλά θα νιώσουν τη μείωση της μάζας του αστέρα, με αποτέλεσμα οι τροχιές να επεκταθούν αναλογικά. Επιπλέον, με την αλλαγή της τροχιάς του Ποσειδώνα, η κατανομή των TNO μπορεί να αναδιαταχθεί. Σε δισεκατομμύρια χρόνια, οι διελεύσεις αστέρων μπορεί να διασκορπίσουν πολλούς TNO. Το ίδιο ισχύει και για το Νέφος του Όορτ (έως ~100.000 AU): θα νιώσει ελάχιστα το γιγαντιαίο φούσκωμα άμεσα, αλλά θα είναι πολύ ευαίσθητο στις διελεύσεις αστέρων και στις γαλαξιακές παλίρροιες.
4.3 «Μόλυνση» λευκών νάνων και πτώσεις κομητών
Παρατηρώντας λευκούς νάνους σε άλλα συστήματα, διακρίνεται «μόλυνση από μέταλλα» στην ατμόσφαιρα – βαριά στοιχεία που θα έπρεπε να βυθίζονται αλλά διατηρούνται μόνο λόγω της συνεχούς πτώσης θραυσμάτων αστεροειδών ή κομητών. Παρόμοια, στην περίπτωση του μελλοντικού λευκού νάνου μας, μπορεί να παραμείνουν αστεροειδείς/κομήτες που κατά διαστήματα πλησιάζουν το όριο Roche, καταστρέφονται και εμπλουτίζουν την ατμόσφαιρα του νάνου με μέταλλα. Αυτό θα ήταν η τελευταία «ανακύκλωση» του ηλιακού συστήματος.
5. Χρονικές κλίμακες τελικής διάλυσης ή επιβίωσης
5.1 Ψύξη λευκών νάνων
Όταν ο Ήλιος γίνει λευκός νάνος (~7,5+ δισεκατομμύρια χρόνια στο μέλλον), η ακτίνα του θα είναι παρόμοια με της Γης και η μάζα ~0,55–0,6 M☉. Η αρχική θερμοκρασία είναι πολύ υψηλή (~100.000+ K), που μειώνεται σταδιακά σε δεκάδες/εκατοντάδες δισεκατομμύρια χρόνια. Μέχρι να γίνει «μαύρος νάνος» (θεωρητικά, η ηλικία του Σύμπαντος δεν επαρκεί ακόμα για αυτό το στάδιο), οι τροχιές των πλανητών μπορεί να παραμείνουν σταθερές ή να διαταραχθούν.
5.2 Εκτοξεύσεις και διελεύσεις
Σε 1010–1011 Τυχαίες προσεγγίσεις αστέρων ετησίως (χιλιάδες AV) μπορούν σταδιακά να απομακρύνουν πλανήτες και μικρά σώματα στο διαστρικό χώρο. Αν το ηλιακό σύστημα διέσχιζε πιο πυκνό περιβάλλον ή σμήνος, ο ρυθμός διάλυσης θα ήταν ακόμη μεγαλύτερος. Τελικά μπορεί να μείνει ένας μοναχικός λευκός νάνος χωρίς κανέναν επιζώντα πλανήτη ή με ελάχιστα απομακρυσμένα σώματα.
6. Σύγκριση με άλλους λευκούς νάνους
6.1 «Μολυσμένοι» λευκοί νάνοι
Οι αστρονόμοι συχνά εντοπίζουν λευκούς νάνους με βαριά στοιχεία (π.χ., ασβέστιο, μαγνήσιο, σίδηρο) στην ατμόσφαιρά τους, τα οποία θα έπρεπε να βυθίζονται γρήγορα, αλλά παραμένουν λόγω της συνεχούς πτώσης μικρών σωμάτων (αστεροειδών/κομητών). Σε ορισμένα συστήματα WD βρίσκονται δίσκοι σκόνης που σχηματίζονται από την καταστροφή αστεροειδών. Τέτοια δεδομένα δείχνουν ότι τα πλανητικά υπολείμματα στα συστήματα μπορούν να επιβιώσουν κατά τη φάση του λευκού νάνου, παρέχοντας υλικό κατά διαστήματα.
6.2 Εξωπλανήτες κοντά σε λευκούς νάνους
Ανακαλύφθηκαν μερικοί υποψήφιοι πλανήτες κοντά σε λευκούς νάνους (π.χ., WD 1856+534 b), μεγάλοι, με μέγεθος παρόμοιο με του Δία, σε πολύ κοντινές (~1,4 ημερών) τροχιές. Πιστεύεται ότι αυτοί οι πλανήτες μπορεί να μετανάστευσαν αργότερα προς τα μέσα μετά την απώλεια μάζας του αστέρα ή να παρέμειναν, αντιστεκόμενοι στην επέκταση του αστέρα. Αυτό δίνει ενδείξεις για το πώς μετά από παρόμοιες διαδικασίες μπορεί να διατηρηθούν ή να αλλάξουν οι γιγάντιοι πλανήτες του ηλιακού συστήματος.
7. Σημασία και ευρύτερες προοπτικές
7.1 Κατανόηση του κύκλου ζωής των αστέρων και της πλανητικής δομής
Μελετώντας την μακροχρόνια εξέλιξη του ηλιακού συστήματος, είναι σαφές ότι οι ζωές των αστέρων και των πλανητών τους συνεχίζονται πολύ πέρα από το τέλος της κύριας ακολουθίας. Η μοίρα των πλανητών αποκαλύπτει κοινά φαινόμενα – απώλεια μάζας, διεύρυνση τροχιών, παλιρροϊκές αλληλεπιδράσεις – που χαρακτηρίζουν αστέρια παρόμοια με τον Ήλιο. Αυτό δείχνει ότι παρόμοιες μοίρες μπορεί να συμβούν σε εξωπλανητικά συστήματα γύρω από εξελισσόμενα αστέρια. Έτσι ολοκληρώνεται ο κύκλος ζωής των αστέρων και των πλανητών.
7.2 Τελική καταλληλότητα για ζωή και πιθανές εκκενώσεις
Ορισμένες εικασίες υποστηρίζουν ότι προηγμένοι πολιτισμοί μπορεί να επικοινωνούν με «διαχείριση μάζας αστέρα» ή να μετακινούν πλανήτες προς τα έξω για να επιβιώσουν μετά το τέλος της σταθερής φάσης του αστέρα. Ρεαλιστικά, από κοσμική οπτική, η αποχώρηση από τη Γη (π.χ. στον Τιτάνα ή ακόμα και πέρα από τα όρια του ηλιακού συστήματος) μπορεί να είναι ο μόνος δρόμος για την ανθρωπότητα ή τους μελλοντικούς απογόνους της να υπάρξουν για αιώνες, καθώς η μεταμόρφωση του Ήλιου είναι αναπόφευκτη.
7.3 Επαλήθευση μελλοντικών παρατηρήσεων
Συνεχίζοντας την ανάλυση των «μολυσμένων» λευκών νάνων και πιθανών εξωπλανητών που έχουν διατηρηθεί γύρω τους, θα κατανοήσουμε όλο και πιο ακριβώς πώς τελειώνει οριστικά η ζωή σε συστήματα τύπου Γης. Ταυτόχρονα, με τη βελτίωση της προσομοίωσης του Ήλιου, αποσαφηνίζεται πόσο εκτείνονται τα στρώματα του ερυθρού γίγαντα και με ποιο ρυθμό χάνεται η μάζα. Η συνεργασία στην αστροφυσική των αστέρων, την τροχιακή μηχανική και την έρευνα εξωπλανητών αναπτύσσει ολοένα πιο λεπτομερείς εικόνες για το πώς οι πλανήτες εισέρχονται στις τελικές τους καταστάσεις καθώς ο αστέρας πεθαίνει.
8. Συμπέρασμα
Σε μεγαλύτερο χρονικό διάστημα (~5–8 δισεκατομμύρια χρόνια) ο Ήλιος, περνώντας στις φάσεις του ερυθρού γίγαντα και AGB, θα υποστεί σημαντική απώλεια μάζας και πιθανώς θα καταπιεί τον Ερμή, την Αφροδίτη και ίσως τη Γη. Τα υπόλοιπα σώματα (εξωτερικοί πλανήτες, μικρότερα αντικείμενα) θα απομακρυνθούν καθώς η μάζα του αστέρα μειώνεται. Τελικά θα περιφέρονται σε τροχιά γύρω από μια λευκή νάνο. Σε δισεκατομμύρια χρόνια, τυχαίες διελεύσεις αστέρων ή συντονισμένες αλληλεπιδράσεις μπορεί σταδιακά να διαλύσουν το σύστημα. Ο Ήλιος – πλέον ένα ψυχρό, αμυδρό υπόλειμμα – θα θυμίζει ελάχιστα την κάποτε ακμάζουσα πλανητική οικογένεια.
Το τέλος αυτό είναι χαρακτηριστικό για αστέρια περίπου 1 ηλιακής μάζας, υποδεικνύοντας πόσο βραχύβια είναι η διάρκεια καταλληλότητας των πλανητών για ζωή. Η κατανόηση αυτών των τελικών εξελικτικών σταδίων διευκολύνεται από ψηφιακά μοντέλα, παρατηρήσεις φωτεινών ερυθρών γιγάντων και παραδείγματα «μολυσμένων λευκών νάνων». Έτσι, παρόλο που η σταθερή εποχή της κύριας ακολουθίας που απολαμβάνουμε τώρα συνεχίζεται, ο κοσμικός χάρτης του χρόνου εξηγεί ότι κανένα πλανητικό σύστημα δεν είναι αιώνιο – η αργή εξαφάνιση του ηλιακού συστήματος είναι το τελευταίο μέρος του ταξιδιού του που διαρκεί δισεκατομμύρια χρόνια.
Σύνδεσμοι και περαιτέρω ανάγνωση
- Sackmann, I.-J., Boothroyd, A. I., & Kraemer, K. E. (1993). “Ο Ήλιος μας. III. Παρόν και μέλλον.” The Astrophysical Journal, 418, 457–468.
- Schröder, K.-P., & Smith, R. C. (2008). “Επανεξέταση του μακρινού μέλλοντος του Ήλιου και της Γης.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 386, 155–163.
- Villaver, E., & Livio, M. (2007). “Μπορούν οι πλανήτες να επιβιώσουν την αστρική εξέλιξη;” The Astrophysical Journal, 661, 1192–1201.
- Veras, D. (2016). «Εξέλιξη πλανητικών συστημάτων μετά την κύρια ακολουθία.» Royal Society Open Science, 3, 150571.
- Althaus, L. G., et al. (2010). “Εξέλιξη των λευκών νάνων.” Astronomy & Astrophysics Review, 18, 471–566.