Зовнішня частина Сонячної системи може виявитися нестабільною не через 1018 років, як випливало з колишніх оцінок, а вже приблизно через мільярд років після перетворення Сонця на білого карлика. Нова робота Костянтина Батигіна з Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech) показує, що колишні розрахунки недооцінювали один важливий фактор: Сонце втрачатиме масу не плавно, а окремими асиметричними викидами. У такому разі зміна орбіт планет призведе до їх випадкового блукання, поступово руйнуючи нинішню архітектуру зовнішньої частини системи. Колишня картина була значно спокійнішою.

У міру старіння Сонце скине близько 46% своєї маси, а орбіти планет за плавної втрати маси розширяться приблизно в 1,85 раза, зберігши при цьому свої відносні конфігурації. У числових експериментах Батигіна та його співавторів такий сценарій справді залишає орбіти Юпітера, Сатурна, Урана та Нептуна стійкими на дуже великих часах. Тому вважалося, що після перетворення Сонця на білого карлика гігантські планети зможуть існувати ще близько 100 млрд років, а власна динамічна нестабільність зовнішньої системи оцінювалася взагалі в ~1018 років.

Асиметричні викиди та випадкове блукання

Але втрата маси зіркою може відбуватися інакше. Архів спостережень молодих білих карликів вказує на те, що при скиданні зовнішньої оболонки зірка отримує невелику швидкість віддачі — близько 0,75 км/с. Один із можливих механізмів пояснює це безліччю окремих викидів речовини, що відбуваються в різні моменти і в різних напрямках. Кожен такий викид дає зірці невеликий імпульс, але безліч імпульсів складаються у випадкове блукання.

Оскільки гравітаційне поле Сонця задає орбіти всіх планет, кожне збурення дещо змінюватиме їхній орбітальний рух. В результаті невеликі збурення накопичуватимуться і посилюватимуть одне одного, замість того щоб взаємно усереднюватися. Саме це перевірили автори роботи за допомогою числових розрахунків руху чотирьох планет-гігантів на моделях еволюції Сонця.

Результати моделювання та доля планет-гігантів

При дуже малій масі окремих викидів система поводиться майже так само, як при плавній втраті маси. Але при значеннях порядку 10-5 маси Сонця і вище орбіти починають помітно перебудовуватися. У розрахунках зіткнення орбіт починалися ще на стадії червоного гіганта: майже у 40% реалізацій зовнішня частина Сонячної системи вже переживала руйнування чи сильне розсіювання до утворення білого карлика. Загалом майже 90% змодельованих систем руйнувалися протягом перших 3 млрд років після його формування.

При цьому руйнування не обов'язково означає зіткнення планет. При перетині орбіт гіганти можуть гравітаційно розштовхувати один одного, міняти порядок розташування або вилітати із системи. В окремих розрахунках Сатурн залишав систему всього через кілька мільйонів років, Уран і Нептун мінялися місцями, а перигелії планет зміщувалися настільки, що починали перетинати область орбіти Юпітера. Одночасно випадкові збурення іноді захоплювали пари планет в орбітальні резонанси, проте це не ставало захистом.

Суперечливі дані

У той час як класичні астрофізичні моделі спиралися на концепцію плавного та симетричного зменшення маси центрального світила, що передбачає вікове існування зовнішньої планетарної системи протягом квінтильйонів років, нові емпіричні дані спостережень за молодими білими карликами та сучасні числові експерименти демонструють кардинально інший хаотичний сценарій. Розбіжності в оцінках термінів життя системи становлять мільярди разів, що змушує переглянути усталені парадигми зоряної динаміки.

Для Землі цей результат практично нічого не змінює: задовго до утворення білого карлика Сонце пройде стадію червоного гіганта, яка зробить сучасну планету непридатною для життя. Проте дослідження Костянтина Батигіна кардинально змінює фундаментальне уявлення про фінальну долю всієї Сонячної системи.