Формирование и эволюция Солнечной системы

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Согласно современным представлениям, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвёздного молекулярного облака. Большая часть вещества оказалась в гравитационном центре коллапса с последующим образованием звезды — Солнца. Вещество, не попавшее в центр, сформировало вращающийся вокруг него протопланетный диск, из которого в дальнейшем сформировались планеты, их спутники, астероиды и другие малые тела Солнечной системы.

Протосолнце и протопланеты в представлении художника

Формирование[править | править исходный текст]

Гипотеза об образовании Солнечной системы из газопылевого облака — небулярная гипотеза — первоначально была предложена в XVIII веке Эммануилом Сведенборгом, Иммануилом Кантом и Пьером-Симоном Лапласом. В дальнейшем её развитие происходило с участием множества научных дисциплин, в том числе астрономии, физики, геологии и планетологии. С началом космической эры в 1950-х годах, а также с открытием в 1990-х годах планет за пределами Солнечной системы (экзопланет), эта модель подверглась многократным проверкам и улучшениям для объяснения новых данных и наблюдений.

Согласно общепринятой в настоящее время гипотезе, формирование Солнечной системы началось около 4,6 млрд лет назад с гравитационного коллапса небольшой части гигантского межзвёздного газопылевого облака. В общих чертах, этот процесс можно описать следующим образом:

  • Спусковым механизмом гравитационного коллапса стало небольшое (спонтанное) уплотнение вещества газопылевого облака (возможными причинами чего могли стать как естественная динамика облака, так и прохождение сквозь вещество облака ударной волны от взрыва сверхновой, и др.), которое стало центром гравитационного притяжения для окружающего вещества — центром гравитационного коллапса. Облако уже содержало не только первичные водород и гелий, но и многочисленные тяжёлые элементы (Металличность), оставшиеся после звёзд предыдущих поколений. Кроме того, коллапсирующее облако обладало некоторым начальным угловым моментом.
  • В процессе гравитационного сжатия размеры газопылевого облака уменьшались и, в силу закона сохранения углового момента, росла скорость вращения облака. Из-за вращения скорости сжатия облака параллельно и перпендикулярно оси вращения различались, что привело к уплощению облака и формированию характерного диска.
  • Как следствие сжатия росла плотность и интенсивность столкновений друг с другом частиц вещества, в результате чего температура вещества непрерывно возрастала по мере сжатия. Наиболее сильно нагревались центральные области диска.
  • При достижении температуры в несколько тысяч кельвинов, центральная область диска начала светиться — сформировалась протозвезда. Вещество облака продолжало падать на протозвезду, увеличивая давление и температуру в центре. Внешние же области диска оставались относительно холодными. За счёт гидродинамических неустойчивостей, в них стали развиваться отдельные уплотнения, ставшие локальными гравитационными центрами формирования планет из вещества протопланетного диска.
  • Когда температура в центре протозвезды достигла миллионов кельвинов, в центральной области началась термоядерная реакция горения водорода. Протозвезда превратилась в обычную звезду главной последовательности. Во внешней области диска крупные сгущения образовали планеты, вращающиеся вокруг центрального светила примерно в одной плоскости и в одном направлении.

Последующая эволюция[править | править исходный текст]

Раньше считалось, что все планеты сформировались приблизительно на тех орбитах, где находятся сейчас, однако в конце XX — начале XXI века эта точка зрения радикально изменилась. Сейчас считается, что на заре своего существования Солнечная система выглядела совсем не так, как она выглядит сейчас. По современным представлениям, внешняя Солнечная Система была гораздо компактнее по размеру чем сейчас, пояс Койпера был гораздо ближе к Солнцу, а во внутренней Солнечной системе помимо доживших до настоящего времени небесных тел существовали и другие объекты, по размеру не меньшие чем Меркурий.

Планеты земного типа[править | править исходный текст]

Гигантское столкновение двух небесных тел, возможно, породившее спутник Земли Луну

В конце эпохи формирования планет внутренняя Солнечная система была населена 50-100 протопланетами с размерами, варьирующимися от лунного до марсианского[1][2]. Дальнейший рост размеров небесных тел был обусловлен столкновениями и слияниями этих протопланет между собой. Так, например, в результате одного из столкновений Меркурий лишился большей части своей мантии[3], в то время как в результате другого был рождён спутник Земли Луна. Эта фаза столкновений продолжалась около 100 миллионов лет до тех пор, пока на орбитах не осталось 4 массивных небесных тела известных сейчас[4].

Одной из нерешённых проблем данной модели является тот факт, что она не может объяснить, как начальные орбиты протопланетных объектов, которые должны были обладать высоким эксцентриситетом, чтобы сталкиваться между собой, смогли в результате породить стабильные и близкие к круговым орбиты оставшихся четырёх планет[1]. По одной из гипотез, эти планеты были сформированы в то время, когда межпланетное пространство ещё содержало значительное количество газо-пылевого материала, который за счёт трения снизил энергию планет и сделал их орбиты более гладкими[2]. Однако этот же самый газ должен был предотвратить возникновение большой вытянутости в первоначальных орбитах протопланет[4]. Другая гипотеза предполагает, что коррекция орбит внутренних планет произошла не за счёт взаимодействия с газом, а за счёт взаимодействия с оставшимися более мелкими телами системы. По мере прохождения крупных тел сквозь облако мелких объектов последние из-за гравитационного влияния стягивались в регионы с более высокой плотностью, и создавали таким образом «гравитационные гребни» на пути прохождения крупных планет. Увеличивающееся гравитационное влияние этих «гребней», согласно этой гипотезе, заставляло планеты замедляться и выходить на более округлую орбиту[5].

Пояс астероидов[править | править исходный текст]

Внешняя граница внутренней Солнечной системы располагается между 2 и 4 а.е. от Солнца и представляет собой пояс астероидов. Изначально астероидный пояс содержал достаточное количество материи, чтобы сформировать 2-3 планеты размером с Землю. Эта область содержала большое количество планетозималей, которые слипались между собой, образуя всё более крупные объекты. В результате этих слияний в поясе астероидов сформировалось около 20-30 протопланет с размерами от лунного до марсианского[6]. Однако начиная с того времени, когда в относительной близости от пояса сформировалась планета Юпитер, эволюция этой области пошла по другому пути[1]. Мощные орбитальные резонансы с Юпитером и Сатурном, а также гравитационные взаимодействия с более массивными протопланетами этой области разрушали уже сформированные планетозимали. Попадая в область действия резонанса при прохождении поблизости планеты-гиганта планетозимали получали дополнительное ускорение, врезались в соседние небесные тела и дробились вместо того чтобы плавно сливаться[7].

По мере миграции Юпитера к центру системы возникающие возмущения имели всё более выраженный характер[8]. В результате этих резонансов планетозимали меняли эксцентриситет и наклонение своих орбит и даже выбрасывались за пределы астероидного пояса[6][9]. Некоторые из массивных протопланет также были выброшены Юпитером за пределы пояса астероидов, в то время как другие протопланеты, вероятно, мигрировали во внутреннюю Солнечную систему, где сыграли финальную роль в увеличении массы нескольких оставшихся планет земного типа[6][10][11]. В течение этого периода истощения влияние планет-гигантов и массивных протопланет заставило астероидный пояс «похудеть» до всего лишь 1 % от Земной массы, которую составляли в основном маленькие планетозимали[9]. Однако эта величина в 10-20 раз больше современного значения массы астероидного пояса, которая теперь составляет 1/2000 массы Земли[12]. Считается, что второй период истощения, который и привёл массу астероидного пояса к текущим значениям, наступил, когда Юпитер и Сатурн вошли в орбитальный резонанс 2:1.

Вполне вероятно, что период гигантских столкновений в истории внутренней Солнечной системы сыграл важную роль в получении Землёй её запасов воды (~6·1021 кг). Дело в том, что вода — слишком летучее вещество, чтобы возникнуть естественным образом во время формирования Земли. Скорее всего она была занесена на Землю из внешних, более холодных областей Солнечной системы[13]. Возможно именно протопланеты и планетозимали, выброшенные Юпитером за пределы астероидного пояса, занесли воду на Землю[10]. Другими кандидатами на роль главных доставщиков воды являются также кометы главного пояса астероидов, обнаруженные в 2006 году[13][14], в то время как кометы из пояса Койпера и из других отдалённых областей предположительно занесли на Землю не более 6 % воды[15][16].

Планетная миграция[править | править исходный текст]

В соответствии с небулярной гипотезой, две внешние планеты Солнечной системы находятся в «неправильном» месте. Уран и Нептун, «ледяные гиганты» Солнечной системы, располагаются в области, где пониженная плотность вещества туманности и длительные орбитальные периоды делали формирование таких планет весьма маловероятным событием. Считается, что эти две планеты изначально сформировались на орбитах вблизи Юпитера и Сатурна, где имелось гораздо больше строительного материала, и только спустя сотни миллионов лет мигрировали на свои современные позиции[17].

Симуляция, показывающая расположение внешних планет и пояса Койпера: a) Перед орбитальным резонансом 2:1 Юпитера и Сатурна b) Разбрасывание объектов древнего пояса Койпера по Солнечной системе после сдвига орбиты Нептуна c) После выбрасывания Юпитером объектов пояса Койпера за пределы системы[15]

Планетная миграция в состоянии объяснить существование и свойства внешних регионов Солнечной системы[18]. За Нептуном Солнечная система содержит пояс Койпера, рассеянный диск и облако Оорта, представляющие собой рассеянные скопления маленьких ледяных тел и дающие начало большинству наблюдаемых в Солнечной системе комет[19]. Сейчас пояс Койпера располагается на расстоянии 30-55 а.е. от Солнца, рассеянный диск начинается в 100 а.е. от Солнца, а облако Оорта — в 50000 а.е. от центрального светила. Однако в прошлом пояс Койпера был гораздо плотнее и ближе к Солнцу. Его внешний край находился примерно в 30 а.е. от Солнца, в то время как его внутренний край располагался непосредственно за орбитами Урана и Нептуна, которые в свою очередь были также ближе к Солнцу (приблизительно 15-20 а.е.) и, кроме того, располагались в противоположном порядке: Уран был дальше от Солнца чем Нептун[18].

После формирования Солнечной системы орбиты всех планет-гигантов продолжали медленно изменяться под влиянием взаимодействий с большим количеством оставшихся планетозималей. Спустя 500—600 миллионов лет (4 миллиарда лет назад) Юпитер и Сатурн вошли в орбитальный резонанс 2:1; Сатурн совершал один оборот вокруг Солнца в точности за то время, за которое Юпитер совершал 2 оборота[18]. Этот резонанс создал гравитационное давление на внешние планеты, вследствие чего Нептун вырвался за пределы орбиты Урана и врезался в древний пояс Койпера. По этой же причине планеты стали отбрасывать окружающие их ледяные планетозимали вовнутрь Солнечной системы, в то время как сами стали отдаляться вовне. Этот процесс продолжался аналогичным образом: под действием резонанса планетозимали выбрасывались вовнутрь системы каждой последующей планетой, которую они встречали на своём пути, а орбиты самих планет отдалялись все дальше[18]. Этот процесс продолжался до тех пор, пока планетозимали не вошли в зону непосредственного влияния Юпитера, после чего огромная гравитация этой планеты отправила их на высокоэллиптические орбиты или даже выбросила их за пределы Солнечной системы. Эта работа в свою очередь слегка сдвинула орбиту Юпитера вовнутрь[~ 1]. Объекты, выброшенные Юпитером на высокоэллиптические орбиты, сформировали облако Оорта, а тела, выброшенные мигрирующим Нептуном, сформировали современный пояс Койпера и рассеянный диск[18]. Данный сценарий объясняет, почему рассеянный диск и пояс Койпера имеют малую массу. Некоторые из катапультированных объектов, включая Плутон, со временем вошли в гравитационный резонанс с орбитой Нептуна[20]. Постепенно трение с рассеянным диском сделало орбиты Нептуна и Урана вновь гладкими[18][21].

Считается, что в отличие от внешних планет внутренние тела системы не претерпевали значительных миграций, поскольку после периода гигантских столкновений их орбиты оставались стабильными[4].

Поздняя тяжёлая бомбардировка[править | править исходный текст]

Гравитационное разрушение древнего астероидного пояса, вероятно, положило начало периоду тяжёлой бомбардировки, происходившему около 4 миллиардов лет назад, через 500—600 миллионов лет после формирования Солнечной системы. Этот период длился несколько сотен миллионов лет и его последствия видны до сих пор на поверхности геологически неактивных тел Солнечной системы, таких как Луна или Меркурий, в виде многочисленных кратеров ударного происхождения. А самое древнее свидетельство жизни на Земле датируется 3,8 миллиардами лет назад — почти сразу после окончания периода поздней тяжёлой бомбардировки.

Гигантские столкновения являются нормальной (хоть и редкой в последнее время) частью эволюции Солнечной системы. Доказательствами этого служат столкновение кометы Шумейкера—Леви с Юпитером в 1994, падение на Юпитер небесного тела в 2009 и метеоритный кратер в Аризоне. Это говорит о том, что процесс аккреции в Солнечной системе ещё не закончен, и, следовательно, представляет опасность для жизни на Земле.

Формирование спутников[править | править исходный текст]

Естественные спутники образовались у большинства планет Солнечной системы, а также у многих других тел. Различают три основных механизма их формирования:

  • формирование из около-планетного диска (в случае газовых гигантов)
  • формирование из осколков столкновения (в случае достаточно крупного столкновения под малым углом)
  • захват пролетающего объекта

Юпитер и Сатурн имеют много спутников, таких как Ио, Европа, Ганимед и Титан, которые, вероятно, сформировались из дисков вокруг этих планет-гигантов по тому же принципу, как и сами эти планеты сформировались из диска вокруг молодого Солнца. На это указывают их большие размеры и близость к планете. Эти свойства невозможны для спутников, приобретённых путём захвата, а газообразная структура планет делает невозможной и гипотезу формирования лун путём столкновения планеты с другим телом.

Будущее[править | править исходный текст]

По оценкам астрономов Солнечная система не будет претерпевать экстремальных изменений до тех пор, пока Солнце не израсходует запасы водородного топлива. Этот рубеж положит начало переходу Солнца с главной последовательности диаграммы Герцшпрунга — Рассела в фазу красного гиганта. Однако и в фазе главной последовательности звезды Солнечная система продолжает эволюционировать.

Долговременная устойчивость[править | править исходный текст]

Солнечная система является хаотичной системой[22], в которой орбиты планет непредсказуемы на очень длинном отрезке времени. Одним из примеров такой непредсказуемости является система Нептун-Плутон, находящаяся в орбитальном резонансе 3:2. Несмотря на то, что сам по себе резонанс будет оставаться стабильным, невозможно предсказать хоть с каким-нибудь приближением положение Плутона на орбите более чем на 10-20 миллионов лет (время Ляпунова)[23]. Другим примером может служить наклон оси вращения Земли, который по причине трения внутри Земной мантии, вызванного приливными взаимодействиями с Луной, невозможно высчитать начиная с некоторого момента между 1.5 и 4.5 миллиардами лет в будущем[24].

Орбиты внешних планет хаотичны на больших временных масштабах: их время Ляпунова составляет 2-230 миллионов лет[25]. Это не только означает, что позицию планеты на орбите начиная с этого момента в будущем невозможно определить хоть с каким-нибудь приближением, но и орбиты сами по себе могут экстремально измениться. Наиболее сильно хаос системы может проявиться в изменении эксцентриситета орбиты, при котором орбиты планет становятся более или менее эллиптическими[26].

Солнечная система является устойчивой в том смысле, что никакая из планет не может столкнуться с другой или быть выброшенной за пределы системы в ближайшие несколько миллиардов лет[25]. Однако за этими временными рамками, например, в течение 5 миллиардов лет, эксцентриситет орбиты Марса может вырасти до значения 0,2, что приведёт к пересечению орбит Марса и Земли, а значит, и к реальной угрозе столкновения. В этот же период времени эксцентриситет орбиты Меркурия может увеличиться ещё больше, и впоследствии близкое прохождение около Венеры может выбросить Меркурий за пределы Солнечной системы[22], или вывести на курс столкновения с самой Венерой или с Землёй[27].

Спутники и кольца планет[править | править исходный текст]

Эволюция лунных систем планет определяется приливными взаимодействиями между телами системы. Из-за разности силы гравитации, воздействующей на планету со стороны спутника, в разных её областях (более удалённые области притягиваются слабее, в то время как более близкие — сильнее), форма планеты изменяется — она как бы слегка вытягивается в направлении спутника. Если направление обращения спутника вокруг планеты совпадает с направлением вращения планеты, и при этом планета вращается быстрее чем спутник, то этот «приливный бугор» планеты будет постоянно «убегать» вперёд по отношению к спутнику. В этой ситуации угловой момент вращения планеты будет передаваться спутнику. Это приведёт к тому, что спутник будет получать энергию и постепенно удаляться от планеты, в то время как планета будет терять энергию и вращаться все медленнее и медленнее.

Земля и Луна являются примером такой конфигурации. Вращение Луны приливно-закреплено по отношению к Земле: период обращения Луны вокруг Земли (в настоящее время примерно 29 дней) совпадает с периодом вращения Луны вокруг своей оси, и поэтому Луна всегда повёрнута к Земле одной и той же стороной. Луна постепенно отдаляется от Земли, в то время как вращение Земли постепенно замедляется. Через 50 миллиардов лет, если они переживут расширение Солнца, Земля и Луна станут приливно-закреплены по отношению друг к другу. Они войдут в так называемый спин-орбитальный резонанс, при котором Луна будет обращаться вокруг Земли за 47 дней, период вращения обоих тел вокруг своей оси будет одинаков, и каждое из небесных тел будет всегда видимо только с одной стороны для своего партнёра[28][29].

Другими примерами такой конфигурации являются системы Галилеевых спутников Юпитера[30], а также большинство крупных лун Сатурна[31].

Нептун и его спутник Тритон, заснятый при пролёте миссии Вояджер-2. В будущем, вероятно, этот спутник будет разорван на части приливными силами, породив новое кольцо вокруг планеты.

Иной сценарий ожидает системы, в которых спутник движется вокруг планеты быстрее, чем она вращается вокруг себя, или в которых спутник движется в направлении противоположном направлению вращения планеты. В таких случаях приливная деформация планеты постоянно отстаёт от позиции спутника. Это меняет направление переноса углового момента между телами на противоположное. что в свою очередь приведёт к ускорению вращения планеты и сокращению орбиты спутника. С течением времени спутник будет приближаться по спирали к планете, пока в какой-то момент либо не упадёт на поверхность или в атмосферу планеты, либо не будет разорван приливными силами на части, породив таким образом планетарное кольцо. Такая судьба ожидает спутник Марса Фобос (через 30—50 миллионов лет)[32], спутник Нептуна Тритон (через 3,6 миллиарда лет)[33], Метиду и Адрастею Юпитера[34], и, как минимум, 16 мелких лун Урана и Нептуна. Спутник Урана Дездемона при этом может быть даже столкнётся с луной-соседкой[35].

Ну и, наконец, в третьем типе конфигурации планета и спутник приливно-закреплены по отношению друг к другу. В этом случае «приливный бугор» расположен всегда точно под спутником, передача углового момента отсутствует, и, как следствие, орбитальный период не меняется. Примером такой конфигурации является Плутон и Харон[36].

До экспедиции аппарата Кассини — Гюйгенс в 2004 году считалось, что кольца Сатурна намного моложе Солнечной системы, и что они просуществуют не более чем 300 миллионов лет. Предполагалось, что гравитационные взаимодействия с лунами Сатурна будут постепенно передвигать внешний край колец ближе к планете, в то время как гравитация Сатурна и бомбардирующие метеориты закончат начатое, полностью расчистив пространство вокруг Сатурна[37]. Однако данные с миссии Кассини заставили учёных пересмотреть эту точку зрения. Наблюдения зарегистрировали ледяные глыбы материала до 10 км в диаметре, находящиеся в постоянном процессе дробления и переформирования, которые постоянно обновляют кольца. Эти кольца намного более массивные чем кольца других газовых гигантов. Считается, что именно эта большая масса сохранила кольца в течение 4,5 миллиардов лет, начиная с момента когда сформировался Сатурн, и, вероятно, сохранит их в течение последующих миллиардов лет[38].

Солнце и планеты[править | править исходный текст]

В далёком будущем самые большие изменения в Солнечной системе будут связаны с изменением состояния Солнца вследствие его старения. По мере сжигания Солнцем запасов водородного топлива оно будет становиться всё горячее, и, как следствие, будет расходовать запасы водорода всё быстрее. В результате этого светимость Солнца возрастает на 10 % каждые 1,1 миллиардов лет[39]. Спустя 1 миллиард лет из-за увеличения солнечного излучения околозвёздная обитаемая зона Солнечной системы будет смещена за пределы современной земной орбиты. Поверхность Земли постепенно разогреется так сильно, что на ней станет невозможным присутствие воды в жидком состоянии. Испарение океанов создаст парниковый эффект, который приведет к ещё более интенсивному разогреву Земли. На этом этапе существования Земли существование жизни на земной поверхности станет невозможным[40][41]. Однако представляется вероятным, что в этот период начнет постепенно повышаться температура поверхности Марса. Вода и углекислый газ, замороженные в недрах планеты, начнут высвобождаться в атмосферу, и это приведёт в созданию парникового эффекта, ещё более увеличивающему скорость разогрева поверхности. В результате атмосфера Марса достигнет условий схожих с земными, и таким образом Марс вполне может стать потенциальным убежищем для жизни в будущем[42].

По прошествии примерно 3,5 миллиардов лет от настоящего времени условия на поверхности Земли будут похожи на современные условия планеты Венеры: океаны в значительной степени испарятся, вся жизнь постепенно вымрет[39].

Структура звезды солнечного типа и красного гиганта

Приблизительно через 7,7 миллиардов лет от настоящего времени ядро Солнца станет настолько горячим, что запустит процесс горения водорода в окружающей его оболочке[40]. Это повлечёт за собой сильное расширение внешних слоёв звезды, и таким образом Солнце войдёт в новую фазу своей эволюции, превратившись в красный гигант[43]. В этой фазе радиус Солнца составит 1,2 а.е., что в 256 раз больше его современного радиуса. Многократное увеличение площади поверхности звезды приведёт к снижению температуры поверхности (около 2600 К) и к увеличению светимости (в 2700 раз больше современного значения). Поверхностные массы газов будут довольно быстро рассеиваться из-за влияния солнечного ветра, в результате чего будет унесено в окружающее пространство около 33 % его массы[40][44]. Вполне вероятно, что в течение данного периода спутник Сатурна Титан достигнет условий, приемлемых для поддержания жизни[45][46].

По мере своего расширения Солнце полностью поглотит планеты Меркурий и, вероятно, Венеру[47]. Судьба Земли в настоящее время недостаточно изучена. Несмотря на то, что радиус Солнца будет включать современную земную орбиту, потеря звездой массы и, как следствие, уменьшение силы притяжения приведут к перемещению планетных орбит на более дальние расстояния[40]. Возможно, что это позволит Земле и Венере перейти на более высокую орбиту, избежав поглощения материнской звездой[44], однако исследования 2008 года показывают, что Земля скорее всего всё-таки будет поглощена Солнцем вследствие приливных взаимодействий с его внешней оболочкой[40].

Туманность Кольцо — планетарная туманность, похожая на ту, которую однажды в будущем породит Солнце

Постепенное сгорание водорода в областях вокруг солнечного ядра будет приводить к увеличению его массы до тех пор пока не достигнет значения 45 % от массы звезды. В этот момент его плотность и температура станут такими высокими, что произойдёт гелиевая вспышка и начнётся процесс термоядерного синтеза гелия в углерод. Во время этой фазы Солнце уменьшится в размере от предыдущих 250 до 11 радиусов. Его светимость упадёт с 3000- до 54-кратного уровня современного Солнца, а температура поверхности увеличится до 4770 К. Фаза синтеза гелия в углерод будет иметь стабильный характер, но продлится всего около 100 миллионов лет. Постепенно, как и в фазе горения водорода, в реакцию будут захватываться запасы гелия из областей, окружающих ядро, что приведёт к повторному расширению звезды, и она снова станет красным гигантом. Данная фаза переведёт Солнце в асимптотическую ветвь гигантов диаграммы Герцшпрунга-Расселла. В этой стадии светимость Солнца увеличится в 2090 раз по сравнению с современной, а температура поверхности упадёт до 3500 К[40]. Эта фаза существования Солнца продлится около 30 миллионов лет. В дальнейшем начнёт усиливаться солнечный ветер (рассеяние частиц звёздной оболочки) и оставшиеся внешние слои Солнца будут сброшены в открытый космос в виде мощных струй звёздного вещества. Отбрасываемая материя образует гало, именуемое планетарной туманностью, которое будет состоять из продуктов горения последних фаз — гелия и углерода. Эта материя будет участвовать в обогащении межзвёздного пространства тяжёлыми элементами, необходимыми для образования космических тел следующих поколений[48].

Процесс сброса Солнцем внешних слоев является относительно спокойным явлением по сравнению, например, со взрывом сверхновой. Он представляет собой значительное увеличение силы солнечного ветра, недостаточное для разрушения им близлежащих планет. Однако значительная потеря звездой своей массы заставит планеты сместиться со своих орбит, повергнув Солнечную систему в хаос. Некоторые из планет могут столкнуться между собой, некоторые могут покинуть Солнечную систему, некоторые — остаться на отдалённом расстоянии[49]. Примерно через 75 000 лет от красного гиганта останется лишь его маленькое центральное ядро — белый карлик, небольшой, но очень плотный космический объект. Остаток массы составит примерно 50 % от той, что Солнце имеет сегодня, а его плотность достигнет двух миллионов тонн на каждый кубический сантиметр[50]. Размеры этой звезды будет сравнимы с размерами Земли. Изначально этот белый карлик может иметь светимость в 100 раз превышающую современную светимость Солнца. Он будет полностью состоять из вырожденного углерода и кислорода, но никогда не сможет достичь температур, достаточных для начала синтеза этих элементов. Таким образом, белый карлик Солнце будет постепенно остывать, становясь всё тусклее и холоднее[51].

По мере умирания Солнца его гравитационное влияние на обращающиеся вокруг тела (планеты, кометы, астероиды) будет ослабевать из-за потери звездой массы. В этот период будет достигнута заключительная конфигурация объектов Солнечной системы. Орбиты всех сохранившихся планет переместятся на более дальние расстояния: Меркурий прекратит своё существование[52], если Венера, Земля и Марс будут всё ещё существовать, их орбиты будут лежать приблизительно в 1,4 а.е (210 000 000 км), 1,9 а.е. (280 000 000 км), и 2,8 а.е. (420 000 000 км). Эти и все оставшиеся планеты будут представлять собой холодные, темные миры, лишённые каких-либо форм жизни[44]. Они продолжат обращаться по орбитам вокруг их мёртвой звезды, а их скорость значительно ослабеет по причине увеличения расстояния от Солнца и уменьшения гравитационного притяжения. 2 миллиарда лет спустя, когда Солнце охладится до 6000-8000 К, углерод и кислород в ядре Солнца затвердеют, 90 % массы ядра примет кристаллическую структуру[53]. В конечном итоге, после еще многих миллиардов лет как белый карлик, Солнце полностью прекратит излучать в окружающее пространство видимый свет, радиоволны и инфракрасное излучение, превратившись в чёрный карлик[54]. Вся история Солнца от его рождения до смерти займёт примерно 12,4 млрд лет[50].

Галактическое взаимодействие[править | править исходный текст]

Расположение Солнечной системы в галактике Млечный Путь

Солнечная Система движется сквозь галактику Млечный Путь по круговой орбите на расстоянии примерно 30 000 световых лет от галактического центра со скоростью 220 км/с. Период обращения вокруг центра галактики, так называемый галактический год, составляет для Солнечной Системы примерно 220—250 миллионов лет. С начала своего формирования Солнечная система совершила как минимум 20 оборотов вокруг центра галактики[55].

Многие учёные считают, что прохождение Солнечной системы сквозь галактику влияет на периодичность массовых вымираний животного мира в прошлом. Согласно одной из гипотез, вертикальные осцилляции Солнца на его орбите вокруг галактического центра, приводящие к регулярному пересечению Солнцем галактической плоскости, изменяют мощность воздействия приливных сил галактики на Солнечную систему. Когда Солнце находится вне галактического диска, влияние галактических приливных сил меньше; когда оно возвращается в галактический диск — а это происходит каждые 20-25 миллионов лет — то попадает под влияние гораздо более мощных приливных сил. Это, согласно математическим моделям, увеличивает на 4 порядка частоту комет, прибывающих из Облака Оорта в Солнечную систему, а значит, сильно увеличивает и вероятность глобальных катастроф в результате падения комет на Землю[56].

Однако многие оспаривают эту гипотезу, приводя аргумент, что Солнце уже находится вблизи галактической плоскости, однако последнее массовое вымирание было 15 миллионов лет назад. Следовательно, вертикальное расположение Солнечной системы относительно галактической плоскости само по себе не может объяснить периодичность массовых вымираний на Земле, однако выдвигается предположение, что эти вымирания могут быть связаны с прохождением Солнца сквозь спиральные рукава галактики. Спиральные рукава содержат не только большие скопления молекулярных облаков, гравитация которых может деформировать облако Оорта, но и большое количество ярких голубых гигантов, которые живут относительно недолгое время, и умирают, взрываясь сверхновыми, опасными для всего живого поблизости[57].

Столкновение галактик[править | править исходный текст]

Галактики «Антенны» — пример сталкивающихся галактик

Несмотря на то, что подавляющее большинство галактик во Вселенной удаляется от Млечного пути, Галактика Андромеды, являющаяся самой крупной галактикой местной группы, напротив, приближается к нему со скоростью 120 км/с[58]. Через 2 миллиарда лет Млечный путь и Андромеда столкнутся, и в результате этого столкновения обе галактики деформируются. Внешние спиральные рукава разрушатся, но зато образуются «приливные хвосты», вызванные приливным взаимодействием между галактиками. Вероятность того, что в результате этого события Солнечная система будет выброшена из Млечного пути в хвост, составляет 12 %, а вероятность захвата Солнечной системы Андромедой составляет 3 %[58]. После серии касательных столкновений, повышающих вероятность выброса Солнечной Системы из Млечного пути до 30 %[59] , их центральные чёрные дыры сольются в одну. По прошествии 7 миллиардов лет Млечный Путь и Андромеда закончат своё слияние и превратятся в одну гигантскую эллиптическую галактику. Во время слияния галактик из-за увеличившейся силы гравитации межзвёздный газ будет интенсивно притягиваться к центру галактики. Если этого газа будет достаточно много, это может привести к так называемой вспышке звездообразования в новой галактике[58]. Падающий в центр галактики газ будет активно подпитывать новообразованную чёрную дыру, превращая её в активное галактическое ядро. В эту эпоху, вероятно, Солнечная система будет вытолкнута во внешнее гало новой галактики, что позволит ей остаться на безопасном расстоянии от радиации этих грандиозных коллизий[58][59].

Достаточно распространено ошибочное предположение, что столкновение галактик почти наверняка разрушит Солнечную систему, однако это не совсем так. Несмотря на то, что гравитация пролетающих мимо звёзд вполне в состоянии это сделать, расстояние между отдельными звёздами настолько велико, что вероятность разрушительного влияния какой-нибудь звезды на целостность Солнечной системы во время галактического столкновения весьма незначительна. Скорее всего Солнечная система испытает на себе влияние столкновения галактик как целое, но расположение планет и Солнца между собой останется непотревоженным[60].

Однако с течением времени суммарная вероятность для Солнечной системы быть разрушенной гравитацией пролетающих мимо звёзд постепенно возрастает. Предполагая, что Вселенная не закончит своё существование в виде большого сжатия или большого разрыва, расчёты предсказывают, что Солнечная система будет полностью разрушена пролетающими звёздами за 1 квадриллион (1015) лет. В том отдалённом будущем Солнце и планеты продолжат своё путешествие по галактике, однако Солнечная система как единое целое прекратит своё существование[61].

См. также[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

  1. 1 2 3 Jean-Marc Petit, Alessandro Morbidelli (2001). «The Primordial Excitation and Clearing of the Asteroid Belt» (PDF). Icarus 153: 338–347. DOI:10.1006/icar.2001.6702.
  2. 1 2 Junko Kominami, Shigeru Ida (2001). «The Effect of Tidal Interaction with a Gas Disk on Formation of Terrestrial Planets». Icarus 157 (1): 43–56. DOI:10.1006/icar.2001.6811.
  3. Sean C. Solomon (2003). «Mercury: the enigmatic innermost planet». Earth and Planetary Science Letters 216: 441–455. DOI:10.1016/S0012-821X(03)00546-6.
  4. 1 2 3 Douglas N. C. Lin (Май 2008). «The Genesis of Planets» (fee required). Scientific American 298 (5): 50–59. DOI:10.1038/scientificamerican0508-50. PMID 18444325.
  5. Peter Goldreich, Yoram Lithwick, Re’em Sari (10 Октября 2004). «Final Stages of Planet Formation». The Astrophysical Journal 614: 497. DOI:10.1086/423612.
  6. 1 2 3 William F. Bottke, Daniel D. Durda, David Nesvorny et al. (2005). «Linking the collisional history of the main asteroid belt to its dynamical excitation and depletion» (PDF). Icarus 179: 63–94. DOI:10.1016/j.icarus.2005.05.017.
  7. R. Edgar, P. Artymowicz (2004). «Pumping of a Planetesimal Disc by a Rapidly Migrating Planet» (PDF). Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 354: 769–772. DOI:10.1111/j.1365-2966.2004.08238.x. Проверено 2008-05-12.
  8. E. R. D. Scott (2006). "Constraints on Jupiter's Age and Formation Mechanism and the Nebula Lifetime from Chondrites and Asteroids". Proceedings 37th Annual Lunar and Planetary Science Conference, League City, Texas: Lunar and Planetary Society. Проверено 2007-04-16. 
  9. 1 2 David O’Brien, Alessandro Morbidelli, William F. Bottke (2007). «The primordial excitation and clearing of the asteroid belt—Revisited» (PDF). Icarus 191: 434–452. DOI:10.1016/j.icarus.2007.05.005.
  10. 1 2 Sean N. Raymond, Thomas Quinn, Jonathan I. Lunine (2007). «High-resolution simulations of the final assembly of Earth-like planets 2: water delivery and planetary habitability». Astrobiology 7 (1): 66–84. DOI:10.1089/ast.2006.06-0126. PMID 17407404.
  11. Susan Watanabe. Mysteries of the Solar Nebula. NASA (20 July 2001). Проверено 2 апреля 2007. Архивировано из первоисточника 24 января 2012.
  12. Georgij A. Krasinsky, Elena V. Pitjeva, M. V. Vasilyev, E. I. Yagudina (Июль 2002). «Hidden Mass in the Asteroid Belt». Icarus 158 (1): 98–105. DOI:10.1006/icar.2002.6837.
  13. 1 2 Henry H. Hsieh, David Jewitt (23 Марта 2006). «A Population of Comets in the Main Asteroid Belt» (abstract page). Science 312 (5773): 561–563. DOI:10.1126/science.1125150. PMID 16556801. Проверено 2008-04-05.
  14. Francis Reddy. New comet class in Earth's backyard. astronomy.com (2006). Проверено 29 апреля 2008. Архивировано из первоисточника 9 июня 2012.
  15. 1 2 R. Gomes, H. F. Levison, K. Tsiganis, A. Morbidelli (2005). «Origin of the cataclysmic Late Heavy Bombardment period of the terrestrial planets» (PDF). Nature 435 (7041): 466. DOI:10.1038/nature03676. PMID 15917802.
  16. A. Morbidelli, J. Chambers, J. I. Lunine, J. M. Petit, F. Robert, G. B. Valsecchi, K. E. Cyr (2000). «Source regions and timescales for the delivery of water to the Earth». Meteoritics & Planetary Science 35: 1309. ISSN 1086–9379.
  17. E. W. Thommes, M. J. Duncan, H. F. Levison (2002). «The Formation of Uranus and Neptune among Jupiter and Saturn». Astronomical Journal 123: 2862. DOI:10.1086/339975. arΧiv:astro-ph/0111290.
  18. 1 2 3 4 5 6 Harold F. Levison, Alessandro Morbidelli, Crista Van Laerhoven et al. (2007). «Origin of the Structure of the Kuiper Belt during a Dynamical Instability in the Orbits of Uranus and Neptune». Icarus 196: 258. DOI:10.1016/j.icarus.2007.11.035. arΧiv:0712.0553.
  19. Alessandro Morbidelli. Origin and dynamical evolution of comets and their reservoirs (PDF). arxiv (3 Февраля 2008). Проверено 26 мая 2007.
  20. R. Malhotra (1995). «The Origin of Pluto's Orbit: Implications for the Solar System Beyond Neptune». Astronomical Journal 110: 420. DOI:10.1086/117532. arΧiv:astro-ph/9504036.
  21. M. J. Fogg, R. P. Nelson (2007). «On the formation of terrestrial planets in hot-Jupiter systems». Astronomy & Astrophysics 461: 1195. DOI:10.1051/0004-6361:20066171. arΧiv:astro-ph/0610314.
  22. 1 2 J. Laskar (1994). «Large-scale chaos in the solar system». Astronomy and Astrophysics 287: L9–L12.
  23. Gerald Jay Sussman, Jack Wisdom (1988). «Numerical evidence that the motion of Pluto is chaotic». Science 241 (4864): 433–437. DOI:10.1126/science.241.4864.433. PMID 17792606.
  24. O. Neron de Surgy, J. Laskar (February 1997). «On the long term evolution of the spin of the Earth». Astronomy and Astrophysics 318: 975–989. Проверено 2008-06-08.
  25. 1 2 Wayne B. Hayes (2007). «Is the outer Solar System chaotic?». Nature Physics 3: 689-691. DOI:10.1038/nphys728. arΧiv:astro-ph/0702179.
  26. Ian Stewart Does God Play Dice?. — 2nd. — Penguin Books, 1997. — P. 246–249. — ISBN 0-14-025602-4
  27. David Shiga. The solar system could go haywire before the sun dies, NewScientist.com News Service (23 April 2008). Проверено 28 апреля 2008.
  28. C.D. Murray & S.F. Dermott Solar System Dynamics. — Cambridge University Press, 1999. — P. 184.
  29. Dickinson Terence From the Big Bang to Planet X. — Camden East, Ontario: Camden House, 1993. — P. 79–81. — ISBN 0-921820-71-2
  30. A. Gailitis (1980). «Tidal Heating of Io and orbital evolution of the Jovian satellites». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 201: 415. Проверено 2008-03-27.
  31. R. Bevilacqua, O. Menchi, A. Milani et al. (April 1980). «Resonances and close approaches. I. The Titan-Hyperion case». Earth, Moon, and Planets 22 (2): 141–152. DOI:10.1007/BF00898423. Проверено 2007-08-27.
  32. Bruce G. Bills, Gregory A. Neumann, David E. Smith, and Maria T. Zuber (2006). «Improved estimate of tidal dissipation within Mars from MOLA observations of the shadow of Phobos». Journal of Geophysical Research 110: E07004. DOI:10.1029/2004JE002376.
  33. C. F. Chyba, D. G. Jankowski, P. D. Nicholson (1989). «Tidal evolution in the Neptune-Triton system». Astronomy & Astrophysics 219: 23. Проверено 2007-03-03.
  34. J. A. Burns, D. P. Simonelli, M. R. Showalter, D. P. Hamilton, C. C. Porco, L. W. Esposito, H. Throop (2004). "Jupiter’s Ring-Moon System" (PDF). Fran Bagenal, Timothy E. Dowling, William B. McKinnon (eds.) Jupiter: The planet, Satellites and Magnetosphere: 241, Cambridge University Press. ISBN 0-521-81808-7. Проверено 2008-05-14. 
  35. Martin J. Duncan, Jack J. Lissauer (1997). «Orbital Stability of the Uranian Satellite System». Icarus 125 (1): 1–12. DOI:10.1006/icar.1996.5568. Проверено 2008-05-09.
  36. Марк В. Буйе, William Grundy, Eliot Young, Leslie Young, Alan Stern (2006). «Orbits and Photometry of Pluto's Satellites: Charon, S/2005 P1, and S/2005». The Astronomical Journal 132: 290. DOI:10.1086/504422. arΧiv:astro-ph/0512491.
  37. Stefano Coledan. Saturn Rings Still A Mystery. Popular Mechanics(недоступная ссылка — история) (2002). Проверено 3 марта 2007. Архивировано из первоисточника 30 сентября 2007.
  38. (February 2008) «Saturn's recycled rings». Astronomy Now: 9.
  39. 1 2 Jeff Hecht. Science: Fiery future for planet Earth, New Scientist (2 Апрель 1994), стр. 14. Проверено 29 октября 2007.
  40. 1 2 3 4 5 6 K. P. Schroder, Robert Connon Smith (2008). «Distant future of the Sun and Earth revisited». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 386: 155–163. DOI:10.1111/j.1365-2966.2008.13022.x.
  41. Knut Jørgen, Røed Ødegaard. Our changing solar system. Centre for International Climate and Environmental Research (2004). Проверено 27 марта 2008. Архивировано из первоисточника 9 июня 2012.
  42. Jeffrey Stuart Kargel Mars: A Warmer, Wetter Planet. — Springer, 2004. — ISBN 1852335688
  43. Introduction to Cataclysmic Variables (CVs). NASA Goddard Space Center (2006). Проверено 29 декабря 2006. Архивировано из первоисточника 9 июня 2012.
  44. 1 2 3 I. J. Sackmann, A. I. Boothroyd, K. E. Kraemer (1993). «Our Sun. III. Present and Future». Astrophysical Journal 418: 457. DOI:10.1086/173407.
  45. Ralph D. Lorenz, Jonathan I. Lunine, Christopher P. McKay (1997). «Titan under a red giant sun: A new kind of "habitable" moon» (PDF). Geophysical Research Letters 24 (22): 2905. DOI:10.1029/97GL52843. PMID 11542268. Проверено 2008-03-21.
  46. Marc Delehanty. Sun, the solar system's only star. Astronomy Today. Проверено 23 июня 2006. Архивировано из первоисточника 9 июня 2012.
  47. K. R. Rybicki, C. Denis (2001). «On the Final Destiny of the Earth and the Solar System». Icarus 151 (1): 130–137. DOI:10.1006/icar.2001.6591.
  48. Bruce Balick (Department of Astronomy, University of Washington). Planetary nebulae and the future of the Solar System. Personal web site. Проверено 23 июня 2006. Архивировано из первоисточника 9 июня 2012.
  49. B. T. Gänsicke, T. R. Marsh, J. Southworth, A. Rebassa-Mansergas (2006). «A Gaseous Metal Disk Around a White Dwarf». Science 314 (5807): 1908–1910. DOI:10.1126/science.1135033. PMID 17185598.
  50. 1 2 Г. Александровский. Солнце. О будущем нашего Солнца (рус.). Астрогалактика (2001). Проверено 7 февраля 2013. Архивировано из первоисточника 10 февраля 2013.
  51. Richard W. Pogge. The Once & Future Sun (lecture notes). New Vistas in Astronomy (1997). Проверено 7 декабря 2005. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011.
  52. Звездочёты расчленили солнечную смерть. Membrana.ru. Проверено 27 февраля 2013. Архивировано из первоисточника 9 марта 2013.
  53. T. S. Metcalfe, M. H. Montgomery, A. Kanaan (2004). «Testing White Dwarf Crystallization Theory with Asteroseismology of the Massive Pulsating DA Star BPM 37093». Astrophysical Journal 605: L133. DOI:10.1086/420884. arΧiv:astro-ph/0402046.
  54. G. Fontaine, P. Brassard, P. Bergeron (2001). «The Potential of White Dwarf Cosmochronology». Publications of the Astronomical Society of the Pacific 113: 409–435. DOI:10.1086/319535. Проверено 2008-05-11.
  55. Stacy Leong. Glenn Elert (ed.): Period of the Sun's Orbit around the Galaxy (Cosmic Year). The Physics Factbook (self-published) (2002). Проверено 26 июня 2008. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011.
  56. Michael Szpir. Perturbing the Oort Cloud. American Scientist. The Scientific Research Society. Проверено 25 марта 2008. Архивировано из первоисточника 9 июня 2012.
  57. Erik M. Leitch, Gautam Vasisht (1998). «Mass Extinctions and The Sun's Encounters with Spiral Arms». New Astronomy 3: 51–56. DOI:10.1016/S1384-1076(97)00044-4. Проверено 2008-04-09.
  58. 1 2 3 4 Fraser Cain. When Our Galaxy Smashes Into Andromeda, What Happens to the Sun?. Universe Today (2007). Проверено 16 мая 2007. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.
  59. 1 2 J. T. Cox, Abraham Loeb (2007). «The Collision Between The Milky Way And Andromeda». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 386: 461. DOI:10.1111/j.1365-2966.2008.13048.x. arΧiv:0705.1170. Проверено 2008-04-02.
  60. J. Braine, U. Lisenfeld, P. A. Duc, E. Brinks, V. Charmandaris, S. Leon (2004). «Colliding molecular clouds in head-on galaxy collisions». Astronomy and Astrophysics 418: 419–428. DOI:10.1051/0004-6361:20035732. Проверено 2008-04-02.
  61. Freeman Dyson (July 1979). «Time Without End: Physics and Biology in an open universe». Reviews of Modern Physics 51: 447. DOI:10.1103/RevModPhys.51.447. Проверено 2008-04-02.

Комментарии[править | править исходный текст]

  1. Причина, по которой Сатурн, Уран и Нептун двигались вовне, в то время как Юпитер двигался вовнутрь, состоит в том, что Юпитер достаточно массивен, чтобы выбрасывать планетозимали за пределы Солнечной системы, а эти три планеты — нет. Для того, чтобы выбросить планету за пределы системы, Юпитер передаёт ей часть своей орбитальной энергии, и следовательно, приближается к Солнцу. Когда Сатурн, Уран и Нептун выбрасывают планетозимали вовне, эти объекты выходят хоть и на высокоэллиптические, но всё же замкнутые орбиты, и таким образом, могут вернуться к возмущающим планетам и возместить им их потерянную энергию. Если же эти планеты выбрасывают планетозимали вовнутрь системы, то это увеличивает их энергию и заставляет их отдаляться от Солнца. И что ещё более важно, объект, выброшенный этими планетами вовнутрь, имеет больше шансов быть захваченным Юпитером и потом быть выброшенным за пределы системы, что навсегда закрепляет лишнюю энергию, полученную внешними планетами при «катапультировании» этого объекта.

Ссылки[править | править исходный текст]