Saulei virstant baltąja nykštuke, galimos likusių planetų perturbacijos ar išmetimai per eonus
Saulės sistema po raudonosios milžinės stadijos
Dar apie ~5 mlrd. metų mūsų Saulė tęs vandenilio sintezę branduolyje (pagrindinėje sekoje). Visgi, išsekus šiam kuru, ji pereis į raudonosios milžinės ir asimptotinės milžinės šakos fazes, neteks didelės masės dalies ir galiausiai virs baltąja nykštuke. Šių vėlyvų stadijų metu planetų orbitos – ypač išorinių milžinių – gali keistis dėl masės netekimo, gravitacinių potvyninių jėgų ar, jei pakankamai arti, žvaigždinio vėjo pasipriešinimo. Vidinės planetos (Merkurijus, Venera, greičiausiai ir Žemė) matyt bus prarytos, tačiau likusios gali išgyventi pakitusiose orbitose. Per labai ilgas epochas (dešimtis milijardų metų) kiti veiksniai, tokie kaip atsitiktiniai praskriejantys žvaigždės ar galaktiniai potvyniai, dar labiau pergrupuos ar išardys šią sistemą. Žemiau išsamiau aptariame kiekvieną fazę ir galimus padarinius.
2. Pagrindiniai vėlyvos Saulės sistemos dinamikos veiksniai
2.1 Saulės masės netekimas raudonosios milžinės ir AGB fazėse
Raudonosios milžinės ir vėlesnėje AGB (asimptotinės milžinės šakos) stadijoje Saulės išorinė dalis plečiasi ir po truputį netenkama per žvaigždinius vėjus ar stiprius pulsinius išmetimus. Manoma, kad iki AGB pabaigos Saulė gali prarasti ~20–30 % savo masės:
- Šviesis ir spindulys: Saulės šviesis pakyla iki tūkstančių kartų didesnio už dabartinį, spindulys gali siekti ~1 AV ar daugiau raudonosios milžinės stadijoje.
- Masės netekimo sparta: Per kelis šimtus milijonų metų galingi vėjai nuosekliai pašalina viršutinius sluoksnius, pabaigoje susiformuoja planetinis ūkas.
- Poveikis orbitoms: Sumažėjusi žvaigždės masė silpnina jos gravitacinį poveikį, tad išlikusių planetų orbitos plečiasi, atsižvelgiant į paprastą dviejų kūnų santykį, kur a ∝ 1/M☉. Kitaip tariant, jei Saulės masė sumenksta iki 70–80 %, planetų pusiau didžiosios ašys gali proporcingai išaugti [1,2].
2.2 Vidinių planetų prarijimas
Merkurijų ir Venerą beveik neabejotinai prarys išsipūtusi Saulės išorė. Žemė atsiduria ties riba – dalis modelių rodo, kad masės netekimas galėtų pakankamai išplėsti jos orbitą, jog išvengtų visiško panirimo, tačiau potvyninės jėgos vis tiek gali ją pražudyti. Pasibaigus AGB etapui, galbūt išliks tiktai išorinės planetos (nuo Marso) bei nykštukiniai ir mažieji kūnai, nors ir pakitusių orbitų.
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), 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 af 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
Saulės virtus 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 ir silpni galaktiniai potvyniai gali veikti išorines orbitas.
Kai kurie modeliai rodo, kad ~1010–1011 metų bėgyje milžinių planetų orbitos gali tapti pakankamai chaotiškos, sukeldamos išmetimus ar susidūrimus. Tačiau tai ilgi terminai, o sistema gali išlikti bent dalinai nepakitusi, jei netrūks stiprių perturbacijų. Galiausiai, stabilumas priklauso ir nuo lokalinės žvaigždžių aplinkos.
3.3 Planetų, galinčių išlikti, pavyzdžiai
Dažnai minimas, 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 Jupiteryje kilusiais trikdymais. Tačiau tokios 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 asteroido 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 žvaigždinis vėjas ar 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 gigantinį išsipūtimą tiesiogiai, bet bus labai imlus praskriejančių žvaigždžių ir galaktinių potvynių poveikiui.
4.3 Baltosios nykštukės „užterštumas“ ir kometų kritimai
Stebint baltąsias nykštukes kituose 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/cometų, 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
Toliau analizuojant „užterštas“ baltąsias nykštukes bei galimai aplink jas išlikusias egzoplanetas, mes vis tiksliau suvoksime, kaip galutinai pasibaigia Žemės tipo sistemų gyvenimas. Tuo pat metu tobulėjant Saulės modeliavimui, aiškėja, kiek išsiplečia raudonosios milžinės sluoksniai ir kokiu greičiu prarandama masė. Bendradarbiaujant žvaigždžių astrofizikos, orbitinės mechanikos ir egzoplanetų tyrimams, išvystomi vis išsamesni vaizdai, kaip žvaigždei mirštant planetos žengia į savo galutines būsenas.
8. Išvada
Per ilgesnį laikotarpį (~5–8 mlrd. metų) Saulė, pereidama į raudonosios milžinės ir AGB fazes, patirs didelį masės netekimą bei, veikiausiai, prarys Merkurijų, Venerą ir galbūt Žemę. Likusieji kūnai (išorinės planetos, mažesni objektai) atsitrauks, nes žvaigždės masė menks. Galiausiai jie orbitaus aplink baltąją nykštukę. Per dar milijardus metų atsitiktiniai žvaigždžių praskriejimai ar rezonansinės sąveikos gali laipsniškai išardyti sistemą. Saulė – jau šalta, blanki liekana – tik menkai primins kadaise klestėjusią planetinę šeimą.
Tokia baigtis būdinga ~1 Saulės masės žvaigždėms, liudijant, kokia trumpalaikė yra planetų tinkamumo gyventi trukmė. Išsamiau suprasti šiuos baigiamuosius evoliucinius etapus padeda skaitmeniniai modeliai, stebėjimų duomenys iš ryškių raudonųjų milžinių bei „užterštų baltųjų nykštukių“ pavyzdžiai. Tad nors mūsų dabar džiuginanti stabili pagrindinės sekos era tęsiasi, kosminis laiko žemėlapis aiškina, jog nė viena planetinė sistema nėra amžina – lėtas Saulės sistemos nykimas yra paskutinė jos milijardus metų trunkančios kelionės dalis.
Nuorodos ir tolesnis skaitymas
- Sackmann, I.-J., Boothroyd, A. I., & Kraemer, K. E. (1993). “Our Sun. III. Present and Future.” The Astrophysical Journal, 418, 457–468.
- Schröder, K.-P., & Smith, R. C. (2008). “Distant future of the Sun and Earth revisited.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 386, 155–163.
- Villaver, E., & 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., et al. (2010). “Evolution of white dwarf stars.” Astronomy & Astrophysics Review, 18, 471–566.