Układ Słoneczny może rozpaść się znacznie szybciej, niż wskazywały wcześniejsze modele. Nowe symulacje sugerują, że gdy Słońce zacznie gwałtownie tracić masę pod koniec swojego życia, kolejne asymetryczne wyrzuty materii mogą stopniowo zaburzyć orbity planet olbrzymów. W części scenariuszy chaos rozpoczyna się jeszcze zanim Słońce stanie się białym karłem, a przynajmniej jedna z wielkich planet zostaje wyrzucona w przestrzeń międzygwiezdną.
Układ Słoneczny może rozpaść się wcześniej, niż zakładano
Stabilność Układu Słonecznego od dawna jest jednym z najważniejszych problemów mechaniki niebieskiej.
Współczesne modele sugerowały dotąd, że zewnętrzne planety mogą pozostać na stabilnych orbitach przez niewyobrażalnie długi czas. W przypadku Urana obliczenia wskazywały nawet na stabilność liczona w kwintylionach lat.
Nawet po uwzględnieniu ewolucji Słońca i przypadkowych przelotów innych gwiazd zakładano, że zewnętrzna część Układu Słonecznego może przetrwać około 100 miliardów lat.
Nowe badanie zmienia jednak jeden pozornie drobny szczegół.
I właśnie ten szczegół może wywrócić dotychczasowy obraz do góry nogami.
Problemem może być sposób, w jaki Słońce straci masę
Dotychczasowe modele często traktowały utratę masy przez umierające Słońce jako proces stosunkowo gładki.
Za około 6 miliardów lat nasza gwiazda ma przejść przez późne etapy swojej ewolucji, utracić znaczną część materii i ostatecznie stać się białym karłem.
Według nowego badania utrata masy może jednak przebiegać bardziej chaotycznie.
Konstantin Batygin i Jim Fuller z Caltech oraz Fred Adams z University of Michigan przeanalizowali scenariusz, w którym materia nie jest odrzucana równomiernie, lecz podczas tysięcy oddzielnych zdarzeń.
Praca została opublikowana w „The Astrophysical Journal Letters”.
Tysiące małych „kopnięć” mogą zmienić orbity planet
Każdy asymetryczny wyrzut materii może delikatnie zmieniać położenie i prędkość Słońca.
Sam pojedynczy efekt byłby niewielki.
Problem zaczyna się wtedy, gdy takich zdarzeń są tysiące.
Jeżeli wyrzuty odbywałyby się idealnie symetrycznie, ich wpływ mógłby się w dużym stopniu wzajemnie znosić.
Jeśli jednak ich kierunki są przypadkowe, kolejne drobne zaburzenia mogą się sumować.
W rezultacie grawitacyjne centrum Układu Słonecznego nie będzie przesuwać się idealnie płynnie, a planety będą stale doświadczać niewielkich zmian w oddziaływaniu grawitacyjnym.
Jedno zdarzenie może wyrzucić masę równą 33 Ziemiom
Autorzy symulacji założyli, że pojedyncze zdarzenie utraty materii może pozbawić Słońce około jednej dziesięciotysięcznej jego masy.
To mniej więcej równowartość 33 mas Ziemi.
W najbardziej realistycznym wariancie takich epizodów mogłoby być około 4600.
Każde z nich miałoby powodować zmianę prędkości Słońca rzędu około 7 metrów na sekundę.
To niewiele w skali astronomicznej.
Ale po tysiącach powtórzeń efekt może stać się wystarczająco duży, aby zachwiać równowagą planet olbrzymów.
Dane z Gaia wspierają taki scenariusz
Naukowcy nie ograniczyli się wyłącznie do czysto teoretycznych rozważań.
Śladów podobnych „kopnięć” szukali również w danych z obserwatorium Gaia Europejskiej Agencji Kosmicznej.
Analizowano szerokie układy podwójne zawierające białe karły.
Obserwacje sugerowały, że asymetryczna utrata masy rzeczywiście może powodować niewielkie zmiany ruchu gwiazd.
To stało się podstawą do stworzenia symulacji przyszłości naszego własnego Układu Słonecznego.
W prawie 80 procentach realistycznych symulacji zaczynał się chaos
Badacze wykonali niemal 700 symulacji.
Szczególną uwagę poświęcono 48 scenariuszom, które najlepiej odpowiadały najbardziej realistycznym założeniom dotyczącym utraty masy przez przyszłe Słońce.
W 37 z 48 przypadków, czyli w niemal 80 procentach symulacji, zewnętrzne planety zaczynały przecinać swoje orbity wcześniej, niż przewidywały dotychczasowe modele.
W najwcześniejszym scenariuszu niestabilność pojawiała się już wtedy, gdy Słońce utraciło około 10 procent swojej masy.
To znacznie wcześniej niż moment, w którym całkowicie odsłoniłoby swoje jądro i stało się białym karłem.
Uran i Neptun mogą zamienić się miejscami
Gdy orbity planet zaczną się przecinać, przewidywanie dalszego rozwoju sytuacji stanie się znacznie trudniejsze.
W niektórych symulacjach Uran i Neptun mogą znaleźć się na zupełnie innych orbitach niż obecnie.
Mogą nawet zamienić się miejscami.
Jeszcze bardziej dramatyczny scenariusz zakłada, że któraś z nich trafi w region orbity Jowisza.
To mogłoby rozpocząć serię silnych oddziaływań grawitacyjnych pomiędzy planetami olbrzymami.
W takim układzie stabilność znana nam przez miliardy lat mogłaby przestać istnieć.
Saturn może zostać wyrzucony z Układu Słonecznego
Jedną z możliwych ofiar chaosu jest Saturn.
W niektórych modelach planeta może zostać wyrzucona z Układu Słonecznego w ciągu kilku milionów lat po rozpoczęciu silnej niestabilności.
Stałaby się wtedy tak zwaną planetą swobodną lub planetą-łotrzykiem.
Zamiast krążyć wokół gwiazdy, wędrowałaby samotnie przez przestrzeń międzygwiezdną.
Według Batygina w 9 na 10 symulacji przynajmniej jedna z planet olbrzymów zostaje całkowicie wyrzucona z układu.
Układ Słoneczny może być źródłem planety-łotrzyka
Taki wynik jest interesujący również z punktu widzenia obserwacji innych części Galaktyki.
Badania wykorzystujące mikrosoczewkowanie grawitacyjne sugerują, że w Drodze Mlecznej może znajdować się bardzo duża liczba planet swobodnych.
Ich pochodzenie nie zawsze jest jasne.
Nowe symulacje wskazują, że jednym ze źródeł takich obiektów mogą być stare układy planetarne, których gwiazdy zakończyły aktywne życie i zaczęły gwałtownie tracić masę.
Jeżeli taki mechanizm jest powszechny, umierające gwiazdy mogą wyrzucać planety w przestrzeń znacznie częściej, niż wcześniej zakładano.
W 90 procentach modeli układ ulega destabilizacji
Najbardziej wymowny jest wynik dotyczący długoterminowej przyszłości całego systemu.
W około 90 procentach modeli Układ Słoneczny ulega poważnej destabilizacji w ciągu 3 miliardów lat od momentu powstania białego karła.
Oznacza to, że cały proces może zakończyć się w czasie krótszym niż około 10 miliardów lat od dziś.
To znacznie krócej niż wcześniejsze przewidywania sięgające około 100 miliardów lat.
Stąd stwierdzenie, że przyszłe zniszczenie zewnętrznego Układu Słonecznego może nastąpić nawet 100 razy szybciej, niż wcześniej sądzono.
Układ Słoneczny może rozpaść się od środka
Wcześniejsze scenariusze niestabilności często uwzględniały możliwość bliskiego przejścia obcej gwiazdy.
W przyszłości takie spotkania mogą stać się bardziej niebezpieczne, ponieważ po utracie masy przez Słońce orbity planet będą większe i słabiej związane grawitacyjnie.
Nowe badanie wskazuje jednak, że obcy intruz może wcale nie być potrzebny.
Układ może destabilizować się z powodu własnej ewolucji.
To właśnie przypadkowa utrata masy przez Słońce może zapoczątkować proces, który ostatecznie rozrzuci planety.
Newton podejrzewał, że stabilność nie będzie wieczna
Problem stabilności Układu Słonecznego interesował uczonych od stuleci.
Isaac Newton zastanawiał się nad tym, czy grawitacyjne oddziaływania między planetami mogą w długiej perspektywie doprowadzić do rozpadu całego systemu.
Późniejsze obliczenia sugerowały, że Układ Słoneczny jest znacznie bardziej stabilny, niż mógł przypuszczać.
Nowe wyniki w pewnym sensie przywracają jednak jego intuicję.
Autorzy pracy podsumowują, że przewidywana przez Newtona niestabilność może rzeczywiście istnieć.
Inny jest tylko jej główny sprawca.
Co stanie się z Ziemią?
Nowe badanie koncentruje się przede wszystkim na zewnętrznych planetach.
Nie opisuje przyszłego losu Ziemi jako głównego elementu analizowanego scenariusza.
Należy też pamiętać, że mówimy o wydarzeniach odległych o miliardy lat.
Do tego czasu Słońce samo przejdzie ogromne zmiany ewolucyjne.
Nowa praca nie oznacza więc, że Układ Słoneczny jest dziś niestabilny ani że planety w najbliższej przyszłości zaczną zmieniać orbity.
Dotyczy bardzo odległego etapu życia naszej gwiazdy.
Wyniki dotyczą nie tylko naszego Słońca
Znaczenie pracy wykracza daleko poza Układ Słoneczny.
Batygin zwraca uwagę, że około 97 procent gwiazd kończy swoje życie w sposób prowadzący do powstania białego karła.
Jeżeli asymetryczna utrata masy jest powszechnym zjawiskiem, podobny mechanizm może dotyczyć ogromnej liczby układów planetarnych.
Co więcej, niektóre z nich mogą być znacznie mniej stabilne niż nasz.
Oznaczałoby to, że końcowy etap życia gwiazdy często nie jest spokojnym przejściem do białego karła, lecz początkiem gwałtownej reorganizacji całego układu planetarnego.
Spokojna starość Układu Słonecznego może być mitem
Najważniejsza zmiana wynikająca z nowego badania dotyczy sposobu patrzenia na przyszłość systemów planetarnych.
Dotąd można było wyobrażać sobie starą gwiazdę, która stopniowo traci masę, zamienia się w białego karła i pozostawia planety na coraz większych, ale nadal uporządkowanych orbitach.
Nowy model jest znacznie bardziej dynamiczny.
Tysiące przypadkowych wyrzutów materii mogą wystarczyć, by stopniowo zburzyć grawitacyjną równowagę.
Jeśli symulacje trafnie opisują przyszłość, Układ Słoneczny może rozpaść się 100 razy szybciej, niż sugerowały wcześniejsze szacunki.
Nie nastąpi to jednak jutro ani za milion lat.
Mówimy o perspektywie miliardów lat.
W kosmicznej skali czasu nawet tak odległa przyszłość może jednak okazać się zaskakująco bliska.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie The Astrophysical Journal Letters .