Iespējama Merkura un Veneras aprijšana un neskaidras Zemes perspektīvas
Dzīve pēc galvenās secības
Saules tipa zvaigznes lielāko daļu sava mūža pavada galvenajā secībā, dedzinot ūdeņradi kodolā. Saulei šī stabilā fāze ilgs aptuveni 10 miljardus gadu, no kuriem jau ir pagājuši apmēram 4,57 miljardi. Tomēr, kad aptuveni 1 Saules masas zvaigznē kodola ūdeņradis izsīkst, sākas zvaigznes evolūcijas pagrieziens: iedegas ūdeņraža dedzināšana apvalkā, un zvaigzne pāriet sarkanā milža stāvoklī. Šādā gadījumā zvaigznes spīdums var pieaugt vairākas desmitas vai pat simti reižu, būtiski palielinās tās spožums un ļoti mainās apstākļi tuvākajām planētām.
Mūsu Saules sistēmā Merkurs, Venera un iespējams Zeme tieši sajutīs šādu Saules spīduma pieaugumu. Tāpēc šīs planētas var tikt iznīcinātas vai būtiski deformētas. Sarkanā milža fāze ir izšķirošs posms, lai saprastu iekšējo planētu galīgo likteni. Turpmāk detalizēti tiek apskatīts, kā mainās Saules iekšējā struktūra, kāpēc zvaigzne izplešas līdz sarkanā milža stadijai un ko tas nozīmē Merkura, Veneras un Zemes orbītām, klimatam un izdzīvošanai.
2. Izmaiņas pēc galvenās secības: ūdeņraža dedzināšana apvalkā
2.1 Kodolā esošā ūdeņraža izsīkums
Pēc aptuveni 5 miljardiem gadu, kad kodolā vairs nebūs pietiekami centrālā ūdeņraža turpmākai sintēzei, Saulei pietrūks ūdeņraža kodolā. Tad notiek:
- Kodola saraušanās: Helija piesātinātais kodols saraujas gravitācijas ietekmē un vēl vairāk uzkarst.
- Ūdeņraža dedzināšanas apvalks: Kodola ūdeņraža slānis, kas atrodas ap apheliem bagātināto kodolu, uzkarst un turpina ģenerēt enerģiju.
- Ārējā slāņa paplašināšanās: Lielākas enerģijas izdalīšanās dēļ zvaigznes ārējā daļa paplašinās un spīdums ļoti palielinās, virsmas temperatūra samazinās ("sarkanā" krāsa).
Šie procesi iezīmē sarkanā milža zara (RGB) sākumu, zvaigznes spožums strauji palielinās (līdz pat vairākiem tūkstošiem reižu lielāks nekā pašlaik), lai gan virsmas temperatūra krītas no pašreizējām ~5800 K līdz daudz vēsākam "sarkanajam" diapazonam [1], [2].
2.2 Ilgums un spīduma pieaugums
Sarkanā milža posms parasti ilgst dažus simtus miljonu gadu, zvaigznei ar masu līdzīgu Saulei – ievērojami īsāk nekā galvenās secības posms. Modeļi rāda, ka Saules rādiuss var izplesties aptuveni 100–200 reizes vairāk nekā pašreizējais (~0,5–1,0 AV attālumā). Galīgās izplešanās robežas ir atkarīgas no zvaigznes masas zuduma un helija aizdegšanās laika.
3. Aprijšanas scenāriji: Merkūrijs un Venēra
3.1 Plūdmaiņu mijiedarbība un masas zudums
Kad Saule izplešas, sākas zvaigžņu vēja izraisīts masas zudums. Turklāt starp izpletušās Saules atmosfēru un iekšējām planētām dominē plūdmaiņu mijiedarbība. Rezultāti var būt orbītas izjukšana vai, gluži pretēji, nedaudz lielāks attālinājums: masas zudums vājinās pievilkšanas spēku (tādēļ orbītas var paplašināties), bet, ja planēta nonāk zvaigznes atmosfērā, plūdmaiņu berze velk to iekšā. Galvenie faktori:
- Mases zudums: Samazinās Saules gravitācijas spēks, tādēļ orbītas var paplašināties.
- Plūdmaiņu berze: Ja planēta nonāk zvaigznes atmosfērā, berze to bremzē, un tā spirālveidā iekrīt Saules iekšienē.
3.2 Merkūrija liktenis
Merkūrijs, būdams vistuvāk Saulei (~0,39 AV), gandrīz noteikti tiks aprijs sarkanā milža fāzē. Lielākā daļa Saules evolūcijas modeļu rāda, ka izpletušās Saules fotosfēra var sasniegt vai pat pārsniegt Merkūrija orbītu, un plūdmaiņu spēki turpinās "nogremdēt" Merkūriju Saules atmosfērā. Tā ir maza planēta (masa aptuveni 5,5 % no Zemes) un tai nav pietiekamas inerces, lai pretotos vilkšanas spēkam dziļi izpletušajā atmosfērā [3], [4].
3.3 Venēra: iespējama aprijšana
Venēra, kas riņķo aptuveni ~0,72 AV attālumā, visticamāk arī tiks aprija. Lai gan zvaigznes masas zudums nedaudz maina orbītas uz āru, tas, visticamāk, nepietiks, lai saglabātu Venēru 0,72 AV attālumā, īpaši, ja sarkanā milža rādiuss var sasniegt aptuveni ~1 AV. Plūdmaiņu mijiedarbība var spirālveidā tuvināt Venēru Saulei, līdz tā tiks iznīcināta. Pat ja hipotētiski Venēra netiktu pilnībā aprijta, tā piedzīvotu milzīgu karstumu, zaudētu atmosfēru un tiktu pilnībā sterilizēta.
4. Neskaidra Zemes nākotne
4.1 Sarkano milžu rādiuss un Zemes orbīta
Zeme, kas atrodas aptuveni ~1,00 AV attālumā, ir uz robežas vai nedaudz pāri tai, ko modeļi paredz maksimāli izpletušās Saules robežai (~1,0–1,2 AV). Ja šī robeža būtu ap ~1 AV, pastāv daļējas vai pilnīgas aprijšanas risks. Tomēr ir svarīgi niansējumi:
- Mases zudums: Ja Saule zaudētu nozīmīgu masu (~20–30 % no sākotnējās), Zemes orbīta varētu paplašināties līdz aptuveni ~1,2–1,3 AV.
- Plūdmaiņu mijiedarbība: Ja Zeme iegrimtīs Saules ārējās atmosfēras daļā, berze var pārsniegt orbītas paplašināšanās efektu.
- Apvalkāla īpašības: Zvaigznes atmosfēras blīvums apmēram ~1 AV attālumā, iespējams, būs zems, bet var nebūt pietiekami zems, lai pasargātu Zemi no bremzējošās spēka ietekmes.
Tātad Zemes saglabāšanās ir atkarīga no masas zuduma, kas mēdz virzīt orbītu ārā, un no plūdmaiņu berzes, kas velk to iekšā. Daži modeļi rāda, ka Zeme varētu palikt nedaudz ārpus izpletušās fotosfēras robežas, bet būtu nolemta karsēšanai; citi – ka tā tiks iznīcināta [3], [5].
4.2 Apstākļi, ja Zeme izvairītos no aprijšanas
Pat ja Zeme paliktu nenogrimusi, vēl ilgi pirms sarkanās milža maksimālās izplešanās mūsu planētas apstākļi kļūtu nepiemēroti dzīvībai. Pieaugot Saules spožumam, paaugstinātos virsmas temperatūra, iztvaikotu okeāni, veidotos nekontrolēta siltumnīcas efekta vide. Pēc milža fāzes paliktu tikai daļēji vai pilnībā izkusušā Zemes garoza, un spēcīgs sarkanās milža vējš varbūt aizpūstu atmosfēru.
5. Hēlija dedzināšana un vēlākās stadijas: AGB, planetārais miglājs, baltās pundurzvaigznes stadija
5.1 Hēlija „uzliesmojums” un horizontālais zars
Kad sarkanās milža kodolā temperatūra sasniedz ~100 miljonus K, iedegas hēlija sintēze („trīskāršā alfa” process); dažkārt tas notiek strauji („hēlija uzliesmojums”), ja kodols ir elektronu degenerēts. Tad zvaigzne pārveidojas nedaudz kompaktākā „hēlija dedzināšanas” stāvoklī (saukts par horizontālo zaru). Šī fāze ilgst relatīvi īsu laiku (~10–100 miljonus gadu). Tomēr jebkura tuvumā esoša planēta visu šo laiku joprojām piedzīvotu ļoti augstu siltumu.
5.2 AGB: asimptotiskā milža zars
Pēc hēlija izsīkuma kodolā zvaigzne pāriet AGB stadijā, kurā vienlaikus apvalkos deg hēlijs un ūdeņradis ap jau esošo oglekļa-skābekļa kodolu. Ārējie slāņi vēl vairāk izplešas, un terminālie impulsi izraisa intensīvu masas zudumu un veido milzīgu, bet retu zvaigznes atmosfēru. Šis posms ir ļoti īss (daži miljoni gadu). Ja kāds planētas atlikums vēl pastāvētu, to ietekmētu spēcīgs zvaigžņu vējš, potenciāli vēl vairāk destabilizējot orbītu.
5.3 Planetārā miglāja veidošanās
Ārējie slāņi, ko izsviež intensīvas UV starojuma ietekmē no karstā kodola, veido planetāro miglāju – īslaicīgu mirdzošu gāzveida apvalku. Dažu desmitu tūkstošu gadu laikā šis miglājs izkliedējas. Novērotāji to redz kā gredzenveida vai burbuļveida mirdzošu mākoņu ap centrālo zvaigzni. Pēdējā stadijā zvaigzne pārvēršas par baltu pundurvazvaigzni, kad miglājs izgaist.
6. Baltās pundurzvaigznes paliekas
6.1 Kodola degenerācija un sastāvs
Pēc AGB stadijas saglabājas blīvs baltās pundurzvaigznes kodols, kas sastāv galvenokārt no oglekļa un skābekļa (~1 Saules masas zvaigznei). To notur elektronu degenerācijas spiediens, turpmāka sintēze nenotiek. Tipiska baltās pundurzvaigznes masa ir ~0,5–0,7 M☉. Objekta rādiuss ir līdzīgs Zemes (~6 000–8 000 km). Sākotnēji temperatūra ir ļoti augsta (desmitiem tūkstošu K), bet vēlāk tā lēnām samazinās miljardiem gadu [5], [6].
6.2 Atdzišana kosmiskā laikā
Baltais punduris izstaro atlikušo siltuma enerģiju. Desmitu vai simtu miljardu gadu laikā tas kļūst tumšāks, vēlāk pārvēršas gandrīz neredzamā "melnais punduris". Šāda atdzišana ilgst ļoti ilgi, ilgāk nekā pašreizējais Visuma vecums. Gala stāvoklī zvaigzne ir inertā – bez sintēzes, vienkārši auksts "apoglekots" kodols kosmiskajā tumsā.
7. Ilguma pārskats
- Pamata secība: aptuveni 10 miljardus gadu 1 Saules masas zvaigznei. Saule jau ir šajā posmā aptuveni 4,57 miljardus gadu, tāpēc palikuši aptuveni 5,5 miljardu gadu.
- Sarkanās milzenes fāze: Ilgst aptuveni 1–2 miljardus gadu, ietver ūdeņraža apvalka dedzināšanu, helija zibšņus.
- Helija dedzināšana: Īss stabils periods, kas var ilgt vairākus simtus miljonu gadu.
- AGB: Termiskie impulsi, spēcīga masas zudums, kas ilgst vairākus miljonus gadu vai mazāk.
- Planetārais miglājs: aptuveni daži desmiti tūkstošu gadu.
- Balto punduru stadija: Neierobežoti ilga atdzišana gadsimtos, galu galā – tumšs "melnais punduris" (ja Visums pastāvēs pietiekami ilgi).
8. Ietekme uz Saules sistēmu un Zemi
8.1 Vājinājoši apstākļi
Vēl aptuveni ~1–2 miljardu gadu laikā pašreizējais Saules spožums palielināsies aptuveni par 10 %, tādēļ Zemes okeāni un biosfēra sāks izzust pastiprinošā siltumnīcas efekta dēļ, vēl pirms sarkanās milzenes stadijas. Ģeoloģiskā mērogā tas nozīmē, ka Zemes piemērotība dzīvībai ir ierobežota. Teorētiski (ļoti tālas nākotnes idejas) tehnoloģiskas civilizācijas varētu mēģināt mainīt planētas orbītu vai "nogriezt" daļu no zvaigznes masas ("zvaigžņu kuģis" – tas ir tīrs spekulācijas piemērs), lai apturētu šīs pārmaiņas.
8.2 Ārējā Saules sistēma
Sākoties AGB stadijai un zaudējot daļu Saules masas, gravitācijas spēks vājinās. Ārējās planētas var attālināties vai kļūt nestabilas. Dažas pundurplanētas vai komētas var izklīst. Galu galā baltais punduris ar dažām palikušajām tālajām planētām – tāds var būt Saules sistēmas noslēguma posms, atkarībā no tā, kā masas zudums un plūdi (vai citi traucējumi) ietekmēs to orbītas.
9. Novērojumu analoģijas
9.1 Sarkanās milzenes un planetārie miglāji Piena Ceļā
Astronomi vēro sarkanās milzenes un AGB zvaigznes (piemēram, Arktūrs, Mira) kā arī planetāros miglājus (piemēram, Gredzena (Ring) vai Gliemeža (Helix) miglāju), kas parāda, kā nākotnē izskatīsies Saule. Šie objekti reāllaikā sniedz datus par ārējo slāņu paplašināšanos, termiskajiem impulsiem un putekļu veidošanos. Salīdzinot zvaigžņu masu, metāla saturu un evolūcijas stadiju, tiek noteikts, ka aptuveni 1 Saules masas zvaigzne attīstās līdzīgi tam, kā prognozēts Saulei.
9.2 Balto punduru un to atliekas
Pētot balto punduri, kļūst skaidrs, kā varētu izskatīties paliekas pēc planētu iznīcināšanas. Dažos baltajos punduros tiek konstatēti "metālu piesārņotāji" – visticamāk no iznīcinātiem asteroīdiem vai mazām planētām. Tas tieši norāda, kas var notikt ar pārējiem Saules sistēmas ķermeņiem – tie var tikt ievelti baltajā pundurī vai palikt tālās orbītās.
10. Secinājums
Sarkanā milža fāze ir svarīgs pārejas posms zvaigznēm, kas līdzīgas Saulei. Izsmelot kodolūdeņraža krājumus, zvaigzne ievērojami izplešas, visticamāk apēdot Merkūru un Veneru, bet Zemes liktenis paliek neskaidrs. Pat ja Zeme kādā veidā izvairīsies no pilnīgas iegrimšanas zvaigznes atmosfērā, tā tiks pārvērsta ellē intensīvās karstuma un zvaigžņu vēja apstākļu dēļ. Pēc vairākiem apvalka sadedzināšanas posmiem mūsu Saule attīstīsies par balto punduri, ap kuru paliks tikai izkliedēti izmestu slāņu mākoņi. Šāda attīstība raksturīga aptuveni vienas Saules masas zvaigznēm, parādot zvaigznes dzīves "ciklu" – no veidošanās un sintēzes līdz izplešanās un galu galā saraušanās par izdegto palieku.
Astrofiziniai stebėjimai (raudonųjų milžinių, baltųjų nykštukių bei egzoplanetų sistemų) apstiprina šo teorētisko evolūcijas ceļu un ļauj paredzēt, kā katrs posms ietekmēs planētu orbītas. No pašreizējās perspektīvas uz Zemi tas ir īslaicīgs posms kosmiskā mērogā, un nenovēršamā sarkanā milža nākotne uzsver, ka planētu piemērotība dzīvībai ir pagaidu dāvana. Šo procesu izpratne ļauj labāk novērtēt visas Saules sistēmas trauslumu un grandiozo vairāku miljardu gadu evolūciju.
Nuorodos ir tolesnis skaitymas
- Sackmann, I.-J., Boothroyd, A. I., & Kraemer, K. E. (1993). “Mūsu Saule. III. Tagadne un nākotne.” The Astrophysical Journal, 418, 457–468.
- Schröder, K.-P., & Smith, R. C. (2008). “Saules un Zemes tālā nākotne pārskatīta.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 386, 155–163.
- Rybicki, K. R., & Denis, C. (2001). “Par Zemes un Saules sistēmas galīgo likteni.” Icarus, 151, 130–137.
- Villaver, E., & Livio, M. (2007). “Vai planētas var izdzīvot zvaigžņu evolūciju?” The Astrophysical Journal, 661, 1192–1201.
- Althaus, L. G., Córsico, A. H., Isern, J., & García-Berro, E. (2010). “Balto punduru zvaigžņu evolūcija.” Astronomy & Astrophysics Review, 18, 471–566.
- Siess, L., & Livio, M. (1999). “Vai planētas tiek aprītas to saimniekzvaigžņu?” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 304, 925–930.