Звезды гравитационно привязаны к своим галактикам и движутся согласованно с окружающей средой. Но иногда что-то разрывает связь. Например, если звезда подойдет слишком близко к сверхмассивной черной дыре, черная дыра может вытолкнуть ее в космос как звезду-изгоя.
Что произойдет с Землей, если один из этих звездных нарушителей подойдет слишком близко?
Это не очень вероятное событие, но вероятность не равна нулю.
Спустя несколько миллиардов лет наша Солнечная система превратилась в малоподвижную и предсказуемую. Планеты движутся вместе с движением, а Солнце неподвижно сидит посреди всего этого.
Но если бы другая звезда подошла слишком близко, невидимые гравитационные связи, удерживающие все на своем месте, растянулись бы или разорвались. Земля — крошечная планета, масса которой составляет всего около трёх миллионных массы Солнца. Наша планета существует по прихоти Солнца и его мощной гравитации, и если другая звезда вмешается в нашу аккуратную систему, Земля окажется полностью во власти новой гравитационной парадигмы.
В новой статье исследуется, что произойдет, если звезда-изгой окажется на расстоянии менее 100 а.е. от Солнца. Название статьи — «Будущие траектории Солнечной системы: динамическое моделирование столкновений звезд на расстоянии 100 а.е.». Оно будет опубликовано в «Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества». Ведущий автор — Шон Рэймонд, астроном из Лаборатории астрофизики Бордо, CNRS (Национального центра научных исследований) и Университета Бордо.
Мы знаем, что стабильная предсказуемость в нашей Солнечной системе не продлится долго. Солнце продолжит развиваться и в течение следующего миллиарда лет станет более ярким. Земля находится очень близко к внутренней границе обитаемой зоны. Стоит лишь немного приблизиться к Солнцу, и хрупкий баланс, позволяющий жидкой воде сохраняться на поверхности, будет нарушен.
В том же диапазоне в один миллиард лет вероятность встречи со звездой-изгоем составляет около 1%. Что произойдет с Землей, если это произойдет? Будет ли Земля вытеснена из обитаемой зоны?
«На Земле осталось около миллиарда лет пригодной для жизни поверхности», — пишут авторы. Это в закрытой системе, которой по большей части является наша Солнечная система. «Хотя орбитальная эволюция планет во многом определяется вековыми и резонансными возмущениями», — объясняют авторы, — «проходящие звезды могут оказывать косвенное влияние на орбиты планет».
Если проходящая звезда приближается, наша Солнечная система больше не является закрытой системой.
Большинство звезд-изгоев, также называемых межгалактическими звездами или сверхскоростными звездами, потому что их траектории уводят их за пределы Млечного Пути, не приближаются к Земле. Каппа Кассиопеи, например, находится на расстоянии 4000 световых лет от нас и никогда не приблизится. Другие, такие как 675 звезд-изгоев, обнаруженные астрономами из Университета Вандербильта в 2012 году, были выброшены после столкновения со сверхмассивной черной дырой Млечного Пути, и их траектории не привели их к Земле.
Даже в Млечном Пути космос по большей части пуст, и большинство звезд, пролетающих мимо, никогда не приблизится к другой солнечной системе. «С точки зрения статистики, пролеты на расстоянии ближе 100 а.е., которые сильно повлияют на орбиты планет, происходят примерно один раз за 100 миллиардов лет в нынешнем районе Галактики», — объясняют исследователи.
Хоть шансы и невелики, но это возможно. Если вы посмотрите на галактику в целом, то почти наверняка где-нибудь в галактике пролетит звезда на расстоянии менее 100 а.е. от другой звезды. Если эта звезда — наше Солнце, что будет с Землей?
Команда провела моделирование N тел, чтобы попытаться определить потенциальные последствия для Земли. Они начали с восьми планет Солнечной системы и добавили одну звезду-изгой. Они сопоставили массы смоделированных звезд-изгоев с массами звезд в наших звездных окрестностях. Они также сопоставили скорость звезд-изгоев с окрестностями. Они смоделировали различные скорости и траектории звезды, чтобы увидеть, как выглядит диапазон результатов для Земли. В общей сложности исследователи провели 12 000 симуляций.
«Если звезда пройдет в пределах 100 а.е. от Солнца, все равно остается очень высокая вероятность того, что все 8 планет Солнечной системы выживут», — пишут авторы. Вероятность того, что ни одна планета не будет потеряна, составляет более 95%.
Дефицит углового момента (AMD) в результате пролета во многом определяет то, что произойдет дальше. AMD является мерой орбитального возбуждения планетарной системы и ее долгосрочной стабильности. Согласно этому определению, это разница между «идеализированной системой с одинаковыми планетами реальной системы, обращающимися по одной и той же большой полуоси от звезды на круговых и плоских орбитах, и нормой момента импульса реальной планетной системы», согласно этому определению.
Но как это выглядит, когда одна из планет нашей Солнечной системы потеряна?
Моделирование дало разные результаты. Меркурий наиболее уязвим и иногда теряется при столкновении с Солнцем. Другие результаты включают столкновение Земли с Венерой, выброс ледяных гигантов Урана и Нептуна, выживание только Земли и Юпитера или только Юпитера. В одном апокалиптическом исходе все восемь планет были выброшены.
Другие результаты менее драматичны. Все восемь планет невозмущены, все восемь слегка возмущены или все восемь сильно возмущены.
Хотя в большинстве симуляций все восемь планет выживают, выживание может означать разные вещи. Несмотря на то, что они остаются в Солнечной системе и остаются гравитационно связанными с Солнцем, их орбиты могут быть сильно нарушены. Некоторых можно даже вытолкнуть в Облако Оорта.
планеты с большой полуосью 104?5 или те, кто попал в облако Оорта. Изображение предоставлено: Раймонд и др. 2023.
Исследователи также составили таблицу десяти наиболее вероятных исходов разрушения планет. «Мы определили наиболее распространенные пути, по которым могут быть потеряны планеты, учитывая, что существует вероятность, превышающая или равная 95%, что ни одна планета не будет потеряна, если звезда пройдет в пределах 100 а.е.», — пишут они.
- Меркурий сталкивается с Солнцем (вероятность 2,54%).
- Марс сталкивается с Солнцем (1,21%).
- Венера сталкивается с другой планетой (1,17%).
- Уран выбрасывается (1,06%).
- Нептун выбрасывается (0,81%).
- Меркурий сталкивается с другой планетой (0,80%).
- Земля сталкивается с другой планетой (0,48%).
- Сатурн выбрасывается (0,32%).
- Марс сталкивается с другой планетой (0,27%).
- Земля сталкивается с Солнцем (0,24%).
Когда дело доходит до выброшенных планет, у Урана и Нептуна наихудшие шансы. Это неудивительно, поскольку они находятся дальше всего от Солнца и наиболее слабо связаны с ним гравитацией. Также неудивительно, что у Меркурия самые высокие шансы столкнуться с Солнцем. Как наименее массивная планета, она сталкивается с большим риском возмущений из-за пролета звезды.
Когда дело доходит до Земли, существует множество потенциальных результатов. В приведенном выше списке Земля имеет вероятность столкновения с другой планетой 0,48%. Но Землю ждет еще одна потенциальная судьба, о которой неприятно думать: изгнание в Облако Оорта.
«Долгосрочное выживание Земли в облаке Оорта не гарантировано», — невозмутимо заявляют авторы.
большого радиуса орбиты, галактический прилив увеличил расстояние перигелия Земли на временной шкале ~100 млн лет», — пишут авторы. «Земля завершила моделирование на стабильной орбите в облаке Оорта с большой полуосью орбиты 54977 а.е.», — объясняют они. Изображение предоставлено: Раймонд и др. 2023.
Стоит рассмотреть еще один экзотический результат моделирования: захват Земли проходящей звездой. В этой модели была звезда, немного менее массивная, чем Солнце, и движущаяся с относительно низкой скоростью, близко приближающаяся к нашей Солнечной системе. Результатом стало разрушительное уничтожение Солнечной системы, какой мы ее знаем. Земля покинула Солнце и убежала вместе со звездой, в то время как шесть других планет врезались в Солнце. Единственной выжившей планетой был Юпитер. В этом нет ничего удивительного, поскольку это самая массивная планета.
В документе представлен широкий спектр последствий, включая столкновение Луны с Землей, захват Земли и Луны проходящей звездой и даже разрушение всех планет и их спутников. Но вероятность того, что что-то из этого произойдет, крайне мала.
Но насколько вероятно, что Земля останется пригодной для жизни в таком столкновении? Если орбита Земли изменится, то в результате на планете станет теплее или холоднее.
Есть еще потенциальные судьбы. Земля могла бы существовать как планета-изгой в течение миллиона лет или около того, пока ее поверхность не замерзнет. Или, может быть, если бы он был захвачен звездой-изгоем, он каким-то образом был бы пригоден для обитания в каком-то новом устройстве.
В конечном счете, шансы на пролет звезды на расстоянии 100 а.е. бесконечно малы. И моделирование показывает, что если бы это действительно произошло, наиболее вероятным результатом на сегодняшний день будет то, что все восемь планет выживут, хотя и на орбитах, немного отличающихся от тех, по которым они следуют сейчас.
«Несмотря на разнообразие потенциальных путей эволюции, высока вероятность того, что нынешняя ситуация в нашей Солнечной системе не изменится», — заключают авторы.
