A Naprendszer hosszú távú fejlődése

Saulei virstant baltąja nykštuke, per eonus gali įvykti likusių planetų perturbacijos ar jų išmetimas

Saulės sistema po raudonosios milžinės stadijos

Dar apie 5 mlrd. metų mūsų Saulė tęs vandenilio sintezę branduolyje (pagrindinėje sekoje). Vis dėlto, išsekus šiam kurui, ji pereis į raudonosios milžinės ir asimptotinės milžinės šakos fazes, neteks didelės masės dalies ir galiausiai virs baltąja nykštuke. Šių vėlyvųjų stadijų metu planetų orbitos – ypač išorinių milžinių – gali keistis dėl masės netekimo, gravitacinių potvyninių jėgų ar, jei jos bus pakankamai arti, žvaigždinio vėjo pasipriešinimo. Vidinės planetos (Merkurijus, Venera, greičiausiai ir Žemė) tikriausiai bus prarytos, tačiau likusios gali išgyventi pakitusiose orbitose. Per labai ilgas epochas (dešimtis milijardų metų) kiti veiksniai, tokie kaip atsitiktiniai pro šalį praskriejantys žvaigždės ar galaktiniai potvyniai, dar labiau pergrupuos ar išardys šią sistemą. Toliau išsamiau aptariame kiekvieną fazę ir galimus padarinius.

2. Pagrindiniai vėlyvosios Saulės sistemos dinamikos veiksniai

2.1 Saulės masės netekimas raudonosios milžinės ir AGB fazėse

Raudonosios milžinės ir vėlesnėje AGB (asimptotinės milžinės šakos) stadijoje Saulės išorinis sluoksnis plečiasi ir po truputį prarandamas dėl žvaigždinių vėjų ar stiprių pulsacinių išmetimų. Manoma, kad iki AGB pabaigos Saulė gali prarasti ~20–30 % savo masės:

Šviesis ir spindulys: Saulės šviesis padidėja iki tūkstančių kartų didesnio nei dabar, o raudonosios milžinės stadijoje spindulys gali siekti ~1 AV ar daugiau.
Masės netekimo sparta: Per kelis šimtus milijonų metų galingi vėjai nuosekliai pašalina išorinius sluoksnius, o galiausiai susiformuoja planetinis ūkas.
Poveikis orbitoms: Sumažėjusi žvaigždės töme silpnina jos gravitacinį poveikį, todėl a išlikusių planetų orbitos a, az egyszerű két- test viszony alapján, a ∝ 1/M_☉. Kitaip tariant, jei Saulės masė sumažėja iki 70–80 %, planetų pusiau didžiosios ašys gali proporcingai išsiplėsti [1,2].

2.2 Vidinių planetų prarijimas

Merkurijus ir Venera beveik neabejotinai bus praryti išsipūtusio Saulės išorinio sluoksnio. Žemė atsiduria ant ribos – kai kurie modeliai rodo, kad dėl masės netekimo jos orbita galėtų pakankamai išsiplėsti, kad ji išvengtų visiško panirimo, tačiau potvyninės jėgos vis tiek gali ją pražudyti. Pasibaigus AGB etapui, galbūt išliks tik išorinės planetos (nuo Marso) ir nykštukiniai bei mažieji kūnai, nors jų orbitos bus pakitusios.

2.3 Baltosios nykštukės susiformavimas

AGB pabaigoje Saulė per dešimtis tūkstančių metų išsviedžia išorinius sluoksnius, suformuodama planetinį ūką. Lieka baltosios nykštukės branduolys (~0,5–0,6 saulės masės), jame nebesigeneruoja sintezė; jis tiktai spinduliuoja šiluminę energiją ir per milijardus ar net trilijonus metų vėsta. Sumažėjusi masė reiškia, kad išlikusios planetos turi išsiplėtusias ar kitaip pakitusias orbitas, lemiančias ilgalaikę dinamiką naujame žvaigždės–planetos masės santykyje.

3. Išorinių planetų – Jupiterio, Saturno, Urano, Neptūno – likimas

3.1 Orbitų plėtimasis

Per raudonosios milžinės ir AGB masės netekimo etapą Jupiterio, Saturno, Urano ir Neptūno orbitos plėsis adiabatiškai dėl mažėjančios Saulės masės. Apytikriai, galutinę pusiau didžiąją ašį a_f galima įvertinti, jei masės netekimo trukmė didelė, palyginti su orbitiniu periodu:

a(f) ≈ a(i) × (M(⊙,i) / M(⊙,f))

Kur M_⊙,i yra pirminė Saulės masė, o M_⊙,f – galutinė (~0,55–0,6 M_☉). Orbitos gali išaugti ~1,3–1,4 karto, jei žvaigždė netenka ~20–30 % masės. Pvz., ~5,2 AV atstumu esantis Jupiteris gali nutolti iki ~7–8 AV, priklausomai nuo galutinės masės. Panašus plėtimasis lauktinas ir Saturno, Urano, Neptūno atvejais [3,4].

3.2 Ilgalaikis stabilumas

Saulę pavertus baltąja nykštuke, planetinė sistema galėtų išlikti dar milijardus metų, nors ir išsiplėtusi. Vis dėlto ilgainiui gali atsirasti destabilizuojančių veiksnių:

Planetų tarpusavio trikdymai: Per gigametus (10⁹ m.) rezonansai ar chaotiški reiškiniai gali kauptis.
Praskriejančios žvaigždės: Saulė juda Galaktikoje, tad artimi žvaigždžių priartėjimai (keletas tūkstančių AV ar mažiau) gali išderinti orbitas.
Galaktiniai potvyniai: Dešimčių ar šimtų milijardų metų mastu net ir silpni galaktiniai potvyniai gali veikti išorines orbitas.

Kai kurie modeliai rodo, kad ~10¹⁰–10¹¹ Milijonų metų bėgyje milžinių planetų orbitos gali tapti pakankamai chaotiškos, sukeldamos išmetimus ar susidūrimus. Tačiau tai ilgi laikotarpiai, o sistema gali išlikti bent iš dalies nepakitusi, jei netrūks stiprių perturbacijų. Galiausiai stabilumas priklauso ir nuo vietinės žvaigždžių aplinkos.

3.3 A išlikti galinčių planetų pavyzdžiai

Dažnai minima, kad Jupiteris (turintis didžiausią masę) ir jo palydovai gali išlikti ilgiausiai, toliau laikydamiesi aplink baltąją nykštukę. Saturnas, Uranas, Neptūnas yra jautresni išmetimui dėl sąveikų su Jupiterio sukeliamais trikdžiais. Tačiau tokie orbitinės kaitos procesai gali trukti nuo milijardų iki trilijonų metų, tad dalis Saulės sistemos struktūros galėtų egzistuoti dar labai ilgai baltosios nykštukės aušimo periodu.

4. Mažieji kūnai: asteroidai, Kuiperio juosta ir Oorto debesis

4.1 Vidinio žiedo asteroidai

Dauguma pagrindinio asteroidų žiedo kūnų (2–4 AV) yra santykinai arti Saulės. Masės netekimas ir gravitaciniai rezonansai galėtų perstumti jų orbitas tolyn. Nors raudonosios milžinės „apvalkalas“ gali nusitęsti iki ~1–1,2 AV ir tiesiogiai neuždengs pagrindinio žiedo, sustiprėjęs žvaigždžių vėjas ar sugerti radiacija galėtų sukelti papildomą išsibarstymą ar susidūrimus. Po AGB stadijos dalis asteroidų išliktų, tačiau chaotiški rezonansai su išorinėmis planetomis kai kuriuos išmestų.

4.2 Kuiperio juosta, išsisklaidęs diskas

Kuiperio juosta (~30–50 AV) ir išsisklaidęs diskas (50–100+ AV) greičiausiai nesusidurs su fiziniu raudonosios milžinės apvalkalu, bet jaus žvaigždės masės sumažėjimą, dėl to orbitos plėsis proporcingai. Be to, Neptūnui pasikeitus orbitai, gali persitvarkyti TNO išsidėstymas. Per milijardus metų žvaigždžių praskriejimai gali išsklaidyti daugelį TNO. Tas pats ir su Oorto debesiu (iki ~100 000 AV): jis menkai pajaus gigantišką išsipūtimą tiesiogiai, bet bus labai imlus praskriejančių žvaigždžių ir galaktinių potvynių poveikiui.

4.3 Baltosios nykštukės „užterštumas“ ir kometų kritimai

Stebint baltąsias nykštukes kitose sistemose, matoma „metalų užterštis“ atmosferoje – sunkieji elementai, kurie turėtų nuskęsti, bet išsilaiko tik dėl nuolatinio asteroidinių ar kometinių nuolaužų kritimo. Panašiai mūsų ateities baltosios nykštukės atveju gali likti asteroidų/kometų, kurie laikas nuo laiko priartėja prie Roche ribos, suardomi ir praturtina nykštukės atmosferą metalais. Tai būtų paskutinis Saulės sistemos „perdirbimas“.

5. Galutinio iširimo ar išlikimo laiko skalės

5.1 Baltosios nykštukės vėsimas

Saulei virtus baltąja nykštuke (~7,5+ mlrd. metų ateityje), jos spindulys bus panašus į Žemės, o masė ~0,55–0,6 M_☉. Pradinė temperatūra labai aukšta (~100 000+ K), pamažu krentanti per dešimtis/šimtus milijardų metų. Kol ji virs „juodąja nykštuke“ (teoriškai, Visatos amžius kol kas nepakankamas tokiam etapui pasiekti), planetų orbitos per tą laiką gali likti stabilios arba būti suardytos.

5.2 Išmetimai ir praskriejimai

Per 10¹⁰–10¹¹ metų atsitiktiniai žvaigždžių priartėjimai (keleto tūkst. AV) gali pamažu iškrapštyti planetas ir mažus kūnus į tarpžvaigždinę erdvę. Jei Saulės sistema keliautų per tankesnę aplinką ar spiečių, iširimo tempas dar didesnis. Galiausiai gali likti vieniša baltoji nykštukė be jokių išlikusių planetų arba išlikius vienam kitam tolimam kūnui.

6. Palyginimas su kitomis baltosiomis nykštukėmis

6.1 „Užterštos“ baltosios nykštukės

Astronomai dažnai aptinka baltąsias nykštukes su sunkiaisiais elementais (pvz., kalciu, magniu, geležimi) atmosferoje, kurie turėtų greit nuskęsti, bet išlieka dėl nuolatinio mažų kūnų (asteroidų/kometų) kritimo. Kai kuriose WD sistemosse randami dulkių diskai, susidarantys suardžius asteroidus. Tokie duomenys rodo, jog planetiniai likučiai sistemose gali išlikti per baltosios nykštukės fazę, laikas nuo laiko tiekdami medžiagą.

6.2 Egzoplanetės prie baltųjų nykštukių

Aptikta keletas planetinių kandidatų prie baltųjų nykštukių (pvz., WD 1856+534 b), didelių, dydžiu prilygstančių Jupiteriui, itin artimose (~1,4 dienų) orbitose. Manoma, kad šios planetos galėjo vėliau migruoti vidun po žvaigždės masės netekimo ar išlikti, atsilaikiusios prieš žvaigždės plėtimąsi. Tai duoda užuominų, kaip po panašių procesų gali išlikti ar pasikeisti Saulės sistemos milžinės planetos.

7. Reikšmė ir platesnės įžvalgos

7.1 Žvaigždės gyvenimo ciklo ir planetinės sandaros supratimas

Tyrinėjant ilgalaikę Saulės sistemos evoliuciją, akivaizdu, kad žvaigždžių ir jų planetų gyvenimai tęsiasi toli už pagrindinės sekos pabaigos. Planetų likimas atskleidžia bendrus reiškinius – masės netekimą, orbitų plėtimąsi, potvyninę sąveiką – kurie būdingi panašioms į Saulę žvaigždėms. Tai rodo, kad egzoplanetų sistemoms aplink evoliucionuojančias žvaigždes gali atsitikti panašūs likimai. Taip užsibaigia žvaigždžių ir planetų gyvavimo ciklas.

7.2 Galutinis tinkamumas gyventi ir galimos evakuacijos

Kai kurios spėlionės teigia, kad pažengusios civilizacijos gali bendrauti su „žvaigždės masės valdymu“ ar perkelti planetas į išorę, kad išgyventų po žvaigždės stabiliųjų laikų pabaigos. Realistiškai, iš kosminės perspektyvos, pasitraukimas iš Žemės (pvz., į Titaną, ar net už Saulės sistemos ribų) gali būti vienintelis kelias žmonijai ar jos ateities palikuonims egzistuoti per eonus, nes Saulės transformacija neišvengiama.

7.3 Ateities stebėjimų patikra

A „szennyezett” fehér törpék és a körülöttük esetleg fennmaradt exobolygók további elemzésével egyre pontosabban megértjük majd, hogyan ér véget véglegesen a Föld-típusú rendszerek élete. Eközben a Nap modellezésének fejlődésével egyre világosabbá válik, mennyire terjednek ki a vörös óriás rétegei, és milyen gyorsan veszít tömeget. A csillag-asztrofizikai, orbitális mechanikai és exobolygó-kutatások együttműködésével egyre részletesebb képet alkotunk arról, hogyan jutnak a bolygók végső állapotaikba a csillag haldoklása során.

8. Következtetés

Hosszabb időtávon (~5–8 milliárd év) a Nap, miközben a vörös óriás és az AGB fázisba lép, jelentős tömegvesztést szenved el, és valószínűleg elnyeli a Merkúrt, a Vénuszt, valamint talán a Földet is. A megmaradó égitestek (a külső bolygók és a kisebb objektumok) eltávolodnak, mivel a csillag tömege csökken. Végül egy fehér törpe körül fognak keringeni. További milliárd évek alatt a csillagok véletlenszerű elhaladásai vagy a rezonáns kölcsönhatások fokozatosan szétszakíthatják a rendszert. A Nap – immár hideg, halvány maradványként – csak halványan fog emlékeztetni az egykor virágzó bolygócsaládra.

Ez a végkifejlet a körülbelül 1 naptömegű csillagokra jellemző, tanúsítva, milyen rövid a bolygók lakhatóságának időtartama. E végső evolúciós szakaszok részletesebb megértését a numerikus modellek, a fényes vörös óriásokról származó megfigyelési adatok, valamint a „szennyezett fehér törpék” példái segítik. Így bár a jelenleg örömet okozó stabil fősorozati korszakunk folytatódik, a kozmikus időtérkép arra utal, hogy egyetlen bolygórendszer sem örök – a Naprendszer lassú hanyatlása a több milliárd éve tartó útjának utolsó része.

Hivatkozások és további olvasmányok

Sackmann, I.-J., Boothroyd, A. I. és Kraemer, K. E. (1993). „Our Sun. III. Present and Future.” The Astrophysical Journal, 418, 457–468.
Schröder, K.-P. és Smith, R. C. (2008). „Distant future of the Sun and Earth revisited.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 386, 155–163.
Villaver, E. és Livio, M. (2007). „Can Planets Survive Stellar Evolution?” The Astrophysical Journal, 661, 1192–1201.
Veras, D. (2016). „Post-main-sequence planetary system evolution.” Royal Society Open Science, 3, 150571.
Althaus, L. G. ir kt. (2010). „Evolution of white dwarf stars.” Astronomy & Astrophysics Review, 18, 471–566.

Vissza a blogba