Как и когда погибнет Солнечная система

Раньше вокруг Земли обращались две Луны, которые затем слились воедино. Титан, спутник Сатурна, — это идеальный аналог нашей планеты, на нём вполне может быть жизнь. А астероиды, которые находятся между Юпитером и Плутоном, почему‑то называются «кентавры». Об этих и других фактах о космосе можно узнать из книги «Когда у Земли было две Луны. Планеты‑каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба», которая недавно вышла в издательстве «Альпина нон‑фикшн».

Создатель увлекательного экскурса в историю Солнечной системы — Эрик Асфог, американский планетолог и астроном. Автор не только работает в Лаборатории по исследованию планет и Луны в Тусоне, но и активно участвует в экспедициях NASA. Например, миссии «Галилео», в рамках которой изучались Юпитер и его спутники. Лайфхакер публикует отрывок из первой главы произведения учёного.

Как у двигателя внутреннего сгорания, который при холодном запуске иногда даёт обратную вспышку, у молодого Солнца первые несколько миллионов лет случались нерегулярные всплески высокой активности. Звёзды, проходящие через эту стадию развития, называются звёздами типа Т Тельца по названию хорошо изученной активной звезды в соответствующем созвездии. Пройдя этап родовых мук, звёзды в конце концов подчиняются правилу, в соответствии с которым самые тяжёлые и яркие из них становятся голубыми, огромными и очень горячими, тогда как маленькие — красными, прохладными и тусклыми.

Если нанести все известные звёзды на график, где слева будут голубые звёзды, справа — красные, внизу — тусклые, а вверху — яркие, они в основном выстроятся вдоль линии, идущей из верхнего левого угла в правый нижний. Эта линия называется главной последовательностью, и жёлтое Солнце находится прямо посередине неё. Также у главной последовательности есть множество исключений, а также ответвлений, где пребывают молодые звёзды, ещё не развившиеся до главной последовательности, и старые звёзды, уже покинувшие её.

Солнце, весьма рядовая звезда, испускает свои тепло и свет практически с неизменной силой на протяжении 4,5 млрд лет. Оно не такое маленькое, как красные карлики, которые горят исключительно экономно. Но и не такое большое, чтобы сгореть за 10 млн лет, как это происходит с голубыми гигантами, которые становятся сверхновыми.

Наше Солнце — хорошая звезда, и у нас в баке ещё достаточно горючего.

Его светимость постепенно увеличивается, поднявшись примерно на четверть с момента зарождения, что слегка сдвинуло его по главной последовательности, но никаких других претензий ему не предъявишь. Разумеется, мы время от времени сталкиваемся с корональными выбросами массы, когда Солнце извергает магнитоэлектрический пузырь и окатывает нашу планету потоками излученияПо иронии судьбы сегодня к воздействию коронального выброса массы наиболее уязвима наша искусственная сеть, потому что связанный с этим событием электромагнитный импульс может нарушать работу больших участков электросети на срок от нескольких недель до двух лет. В 1859 г. самый крупный за всю современную историю выброс коронального вещества вызвал искры в телеграфных отделениях и великолепные северные сияния. В 2013 г. лондонская страховая компания Lloyd’s оценила, что ущерб от подобного коронального выброса в современных США составит от 0,6 до 2,6 трлн долларов.. Но по сравнению с тем, что происходит в других планетных системах, эта активность вполне безобидна.

Но так будет не всегда. Примерно через 5–7 млрд лет для нас начнутся «сумерки богов», последняя смута, в ходе которой планеты сойдут со своих орбит. Покинув главную последовательность, Солнце станет красным гигантом и за несколько миллионов лет поглотит Меркурий, Венеру и, возможно, Землю. Затем оно сожмётся, выбросив в пространство половину своей массы. Астрономы с соседних звёзд смогут наблюдать в своём небе «новую», расширяющуюся оболочку сверкающего газа, которая исчезнет через несколько тысяч лет.

Солнце перестанет удерживать внешнее облако Оорта, тела которого отправятся странствовать по межзвёздному пространству как космические призраки. То, что останется от звезды, будет сжиматься, пока она не станет белым карликом, чрезвычайно плотным телом, сияющим белым светом благодаря своей гравитационной энергии, — едва живым, но ярким, размером с Землю, но в миллиард раз тяжелее. Мы полагаем, что такова судьба нашей Солнечной системы, отчасти потому, что Солнце — обычная звезда, и мы наблюдаем множество примеров таких звёзд на различных стадиях эволюции, а отчасти поскольку наше теоретическое понимание таких процессов шагнуло далеко вперёд и хорошо согласуется с результатами наблюдений.

После того как расширение красного гиганта закончится и Солнце станет белым карликом, планеты, астероиды и другие остатки внутренней Солнечной системы начнут падать на него по спирали — сначала из‑за торможения в газе, а потом из‑за действия приливных сил, — пока сверхплотные остатки звезды не разнесут планеты в клочья одну за другой. В конце останется диск из землеподобных материалов, в основном состоящий из сорванных мантий Земли и Венеры, который по спирали будет опускаться на разрушенную звезду.

Это не просто фантазия: астрономы видят эту картину в спектроскопических показателях нескольких соседних «загрязнённых белых карликов», где формирующие горные породы элементы — магний, железо, кремний, кислород — присутствуют в атмосфере звезды в количествах, соответствующих составу минералов из класса силикатов, таких как оливин. Это последнее напоминание о землеподобных планетах прошлого.

***

Планеты, которые формируются вокруг куда более крупных по сравнению с Солнцем звёзд, ждёт не такая интересная судьба. Массивные звёзды горят при температуре в сотни миллионов градусов, потребляя водород, гелий, углерод, азот, кислород и кремний в ходе бурного термоядерного синтеза. Продуктами этих реакций становятся всё более тяжёлые элементы, пока звезда не достигает критического состояния и не взрывается как сверхновая, разбрасывая свои внутренности по округе диаметров в несколько световых лет и при этом образуя почти все тяжёлые элементы. Вопрос о будущем планетной системы, которая могла сформироваться вокруг неё, превращается в риторический.

Сейчас все взоры устремлены на Бетельгейзе — яркую звезду, образующую левое плечо созвездия Ориона. От Земли её отделяют 600 световых лет, то есть она находится не слишком далеко, но, к счастью, и не среди наших ближайших соседей. Масса Бетельгейзе в восемь раз больше солнечной, а возраст по эволюционным моделям составляет примерно 10 млн лет.

В течение пары недель взрыв этой звезды по яркости будет сравним с сиянием Луны, а затем начнёт тускнеть; если это не произвело на вас впечатления, то имейте в виду, что с расстояния в 1 астрономическую единицу это всё равно что наблюдать взрыв водородной бомбы в соседнем дворе. На протяжении геологического времени сверхновые взрывались и гораздо ближе к Земле, облучая нашу планету и иногда приводя к массовым вымираниям на ней, но ни одна из ближайших к нам звёзд сейчас взрываться не собирается.

«Зона поражения» для этого типа сверхновых — от 25 до 50 световых лет, так что Бетельгейзе не представляет для нас угрозы.

Поскольку она находится относительно недалеко и имеет гигантские размеры, эта звезда — первая, которую нам удалось в деталях разглядеть в телескоп. Хотя качество изображений оставляет желать лучшего, они показывают, что Бетельгейзе представляет собой сфероид странной неправильной формы, напоминающей частично сдутый воздушный шарик, который совершает один оборот вокруг своей оси за 30 лет. Мы видим огромный плюмаж или деформациюPierre Kervella et al., “The Close Circumstellar Environment of Betelgeuse V. Rotation Velocity and Molecular Envelope Properties from ALMA,” Astronomy & Astrophysics 609 (2018), возможно, вызванную глобальной тепловой неустойчивостью. Кажется, она в самом деле готова взорваться в любой момент. Но, по правде говоря, для того чтобы кто‑либо из нас имел шанс увидеть свет этого события, Бетельгейзе должна была разлететься в клочья ещё во времена Кеплера и Шекспира.

Когда взрывается массивная звезда, двери её химической кухни сносит с петель. Пепел из термоядерного очага разлетается во все стороны, так что гелий, углерод, азот, кислород, кремний, магний, железо, никель и другие продукты синтеза распространяются со скоростью сотен километров в секунду. По ходу движения эти атомные ядра, достигающие максимальной массы в 60 атомных единиц, подвергаются массированной бомбардировке потоком высокоэнергетических нейтронов (частиц, по массе равных протонам, но без электрического заряда), исходящим из коллапсирующего звёздного ядра.

Время от времени нейтрон, сталкиваясь с ядром атома, присоединяется к нему; в результате всего этого взрыв сверхновой сопровождается быстрым синтезом более сложных элементов, которые считаются необходимыми для существования жизни, а также многих радиоактивных. У некоторых таких изотопов период полураспада составляет всего лишь секунды, другие, такие как ⁶⁰Fe и ²⁶Al, распадаются примерно за тот миллион лет, который заняло формирование нашей протопланетной туманности, а третьи, скажем ²³⁸U, ждёт долгий жизненный путь: они обеспечивают геологический подогрев на протяжении миллиардов летВерхний индекс соответствует суммарному количеству протонов и нейтронов в ядре — это называется атомной массой.

Вот что произойдёт, когда Бетельгейзе взорвётся. За секунду её ядро сожмётся до размеров нейтронной звезды — объекта настолько плотного, что чайная ложка его вещества весит миллиард тонн, — и, возможно, станет чёрной дырой. В этот же момент Бетельгейзе извергнет примерно 10⁵⁷ нейтрино, которые уносят энергию так быстро, что ударная волна разорвёт звезду на части.

Это будет напоминать взрыв атомной бомбы, но в триллионы раз сильнее.

Для наблюдателей с Земли яркость Бетельгейзе будет нарастать в течение нескольких дней, пока звезда не зальёт светом свой участок неба. В следующие пару недель она будет тускнеть, а затем расползётся в светящуюся туманность газового облака, облучаемого компактным чудовищем в его центре.

Сверхновые бледнеют по сравнению со взрывами килоновых, которые случаются, когда две нейтронные звёзды попадают в ловушку взаимного притяжения и по спирали приходят к столкновениюВозможно, именно благодаря килоновым в космосе появились более тяжёлые элементы, такие как золото и молибден.. Эти два тела уже и так немыслимо плотны — каждое имеет массу Солнца, утрамбованную в объём 10‑километрового астероида, — поэтому их слияние вызывает гравитационные волны, рябь в структуре пространства и времени.

Давно предсказанные гравитационные волны были впервые зафиксированы в 2015 г. с помощью стоящего миллиарды долларов прибора под названием LIGOПервая гравитационная волна была зарегистрирована лазерно‑интерферометрической гравитационно‑волновой обсерваторией (Laser Interferometer Gravitational‑Wave Observatory, LIGO) в сентябре 2015 г. Она была вызвана слиянием двух чёрных дыр на расстоянии 1,3 млрд световых лет от Земли. (Laser Interferometer Gravitational‑Wave Observatory, «Лазерно‑интерферометрическая гравитационно‑волновая обсерватория»). Позже, в 2017‑м, гравитационная волна пришла с разницей в 1,7 секунды со всплеском гамма‑излучения, зафиксированным совершенно другим прибором, — как удар грома и вспышка молнии.

Поразительно, что гравитационные и электромагнитные волны (то есть фотоны) шли через пространство и время миллиарды лет, причём вроде бы совершенно независимо друг от друга (гравитация и свет — это разные вещи), но тем не менее прибыли одновременно. Возможно, это тривиальное или предсказуемое явление, но лично для меня такая синхронность гравитации и света наполнила единство Вселенной глубоким смыслом. Взрыв килоновой миллиард лет назад в миллиарде световых лет кажется далёким ударом колокола, отзвук которого заставляет как никогда раньше почувствовать связь с теми, кто может существовать где‑то в глубинах космоса. Это как смотреть на Луну, думая о своих любимых и помня, что они тоже её видят.

Если вы хотите узнать, как зародилась Вселенная, где ещё может существовать жизнь и почему планеты бывают такие разные, эта книга точно для вас. Эрик Асфог обстоятельно рассказывает о прошлом и будущем Солнечной системы и космоса вообще.