Внешняя часть Солнечной системы может оказаться нестабильной не через 1018 лет, как следовало из прежних оценок, а уже примерно через миллиард лет после превращения Солнца в белый карлик. Новая работа Константина Батыгина из Калифорнийского технологического института (Caltech) показывает, что прежние расчёты недооценивали один важный фактор: Солнце будет терять массу не плавно, а отдельными асимметричными выбросами. В таком случае изменение орбит планет приведет к их случайному блужданию, постепенно разрушая нынешнюю архитектуру внешней части системы. Прежняя картина была значительно спокойнее.

По мере старения Солнце сбросит около 46% своей массы, а орбиты планет при плавной потере массы расширятся примерно в 1,85 раза, сохранив при этом свои относительные конфигурации. В численных экспериментах Батыгина и его соавторов такой сценарий действительно оставляет орбиты Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна устойчивыми на очень больших временах. Поэтому считалось, что после превращения Солнца в белый карлик гигантские планеты смогут существовать ещё порядка 100 млрд лет, а собственная динамическая нестабильность внешней системы оценивалась вообще в ~1018 лет.

Асимметричные выбросы и случайное блуждание

Но потеря массы звездой может происходить иначе. Архив наблюдений молодых белых карликов указывают на то, что при сбросе внешней оболочки звезда получает небольшую скорость отдачи — порядка 0,75 км/с. Один из возможных механизмов объясняет это множеством отдельных выбросов вещества, происходящих в разные моменты и в разных направлениях. Каждый такой выброс даёт звезде небольшой импульс, но множество импульсов складываются в случайное блуждание.

Поскольку гравитационное поле Солнца задаёт орбиты всех планет, каждое возмущение будет немного изменять их орбитальное движение. В результате небольшие возмущения будут накапливаться и усиливать друг друга, вместо того чтобы взаимно усредняться. Именно это проверили авторы работы с помощью численных расчётов движения четырёх планет-гигантов на моделях эволюции Солнца.

Результаты моделирования и судьба планет-гигантов

При очень маленькой массе отдельных выбросов система ведёт себя почти так же, как при плавной потере массы. Но при значениях порядка 10-5 массы Солнца и выше орбиты начинают заметно перестраиваться. В расчётах столкновения орбит начинались ещё на стадии красного гиганта: почти в 40% реализаций внешняя часть Солнечной системы уже переживала разрушение или сильное рассеяние до образования белого карлика. В целом почти 90% смоделированных систем разрушались в течение первых 3 млрд лет после его формирования.

При этом разрушение не обязательно означает столкновение планет. При пересечении орбит гиганты могут гравитационно расталкивать друг друга, менять порядок расположения или вылетать из системы. В отдельных расчётах Сатурн покидал систему всего через несколько миллионов лет, Уран и Нептун менялись местами, а перигелии планет смещались настолько, что начинали пересекать область орбиты Юпитера. Одновременно случайные возмущения иногда захватывали пары планет в орбитальные резонансы, однако это не становилось защитой.

Противоречивые данные

В то время как классические астрофизические модели опирались на концепцию плавного и симметричного уменьшения массы центрального светила, предполагающую вековое существование внешней планетной системы на протяжении квинтиллионов лет, новые эмпирические данные наблюдений за молодыми белыми карликами и современные численные эксперименты демонстрируют кардинально иной хаотический сценарий. Расхождения в оценках сроков жизни системы составляют миллиарды раз, что заставляет пересмотреть устоявшиеся парадигмы звездной динамики.

Для Земли этот результат практически ничего не меняет: задолго до образования белого карлика Солнце пройдёт стадию красного гиганта, которая сделает современную планету непригодной для жизни. Тем не менее, исследование Константина Батыгина кардинально меняет фундаментальное представление о финальной судьбе всей Солнечной системы.