Солнце, как и любая другая звезда, представляет собой газовый шар, который состоит в основном из водорода и гелия (73% и 25% соответственно). Средняя плотность Солнца намного меньше Земли и лишь немного превышает среднюю плотность воды – это значение составляет 1.4 кг на кубический метр. Что будет если Солнце погаснет?

Общие сведения о Солнце и его прошлое

Наше Солнце является источником жизни на Земле. Для сравнения тепловой поток из недр Земли примерно в 5 тысяч раз меньше, чем величина солнечной постоянной (количество энергии которое получает в среднем квадратный метр земной поверхности).

Звезда Солнечной Системы находится в 270 тысяч раз ближе к Земле по сравнению со второй ближайшей звездой к нам (Проксима Центавра). Источником энергии на Солнце являются термоядерные реакции слияния ядер более легких химических элементов в ядра более тяжелых химических элементов. Под действием термоядерных реакций каждую секунду на Солнце происходит преобразование 600 миллионов тонн водорода в гелий. Согласно знаменитой формуле Эйнштейна E=mс² каждую секунду масса Солнца уменьшается примерно на 4 миллионов тонн. Для сравнения на Земле за год добывается около 4 миллиардов тонн нефти, 7 миллиардов тонн угля и 3 миллиардов тонн железной руды.

Солнце является звездой второго поколения. Это означает, что вещество Солнца было изначально обогащено более тяжелыми элементами, которые образовались в недрах других умерших звезд. При этом химический состав Солнца не является уникальным: известны звезды, у которых содержание тяжелых элементов во много раз превышают показатели Солнца.

По современным оценкам Солнечная система с Солнцем родились около 4.5 миллиардов лет назад в сравнительно малочисленном звездном скоплении, которое состояло лишь из нескольких сотен или тысяч звезд. В связи с этим поиск родственников нашего Солнца является крайне сложной задачей (изучение параметров нескольких миллионов звезд смогло выявить лишь несколько кандидатов в такие родственники).

Наша звезда является “середнячком“ среди звездного населения Млечного Пути, она относится к желтым карликам главной последовательности. К примеру, у красных карликов звездная масса на порядок меньше, чем у нашего Солнца, а светимость в тысячи раз слабее. Напротив, у звезд-сверхгигантов масса превышает солнечную в сотни раз, а их светимость может быть эквивалентна нескольким миллионам “солнц”.

После своего рождения Солнце проходило непрерывную эволюцию. Сегодня, мы знаем о прошлом Солнца благодаря изучению молодых звезд похожих на Солнце (звезд солнечного типа). Для молодых звезд характерно быстрое вращение, частые вспышки и пониженная светимость. Одной из причин пониженной светимости молодых звезд являются плотные протопланетные газопылевые облака, которые приводят к ослаблению светимости Солнца для земного наблюдателя. Другой причиной пониженной светимости Солнца в прошлом является тот факт, что термоядерные реакции легких химических элементов происходят при более низких температурах по сравнению с термоядерными реакциями более тяжелых химических элементов (к примеру, кислорода или железа). Доказательством пониженной светимости древнего Солнца являются свидетельства продолжительных ледниковых периодов в прошлом Земли. Так согласно теории “Snowball Earth” (“Земля-снежок”) 630-850 миллионов лет назад ледники полностью покрывали нашу планету (от полюсов до экватора).

Эволюция Солнца и грядущая гибель Солнечной Системы

По мере “взросления” Солнца происходит рост его светимости вместе с повышением температуры ядра, увеличением его размеров и замедлением вращения вокруг оси (сейчас период вращения Солнца составляет около 25 суток). Кроме того, как говорилось выше, уменьшается и масса Солнца вместе с его средней плотностью. Согласно астрофизическим моделям рост светимости Солнца приведет к тому, что через 1.1 миллиард лет, произойдет испарение всех земных океанов (средняя температура на поверхности Земли в этот момент составит около 57 градусов Цельсия, сейчас она близка к 14 градусам Цельсия). Через 3.5 миллиардов лет температура поверхности Земли сравняется с нынешней температурой поверхности Венеры (около 500 градусов Цельсия).

Дальнейший процесс расширения атмосферы Солнца ознаменует его превращение в красный гигант примерно через 5.4 миллиардов лет. Через порядка 8 миллиардов лет светимость Солнца достигнет максимума и она в 5 тысяч раз превысит нынешнюю светимость. При этом радиус Солнца сравняется с размером нынешней земной орбиты (сейчас диаметр Солнца составляет около миллиона километров, а диаметр земной орбиты примерно 300 миллионов километров). С другой стороны процесс раздувания Солнца будет приводить к снижению температуры поверхности нашей звезды с нынешних 7 тысяч градусов Цельсия до примерно 3 тысяч градусов Цельсия. Судьба Земли и даже соседней Венеры в этом случае остаётся неопределенной.

Одни теоретики считают, что Земля будет поглощена солнечной атмосферой, другие считают, что по причине изменений в гравитационном поле Солнечной Системы (разбухание Солнца может привести к смещению центра тяжести нашей планетной системы) Земля может перейти на более высокую орбиту и тем самым избежать поглощения Солнцем. Похожая неопределенность существует и для Венеры.

В маловероятном случае выброса планеты Земля в межзвездное пространство до момента полного испарения океанов существует даже теоретическая вероятность сохранения на ней простейших микроорганизмов. Расчеты показывают, что на блуждающей планете массой с нашу Землю теоретически возможно существование подледного океана под панцирем льда толщиной около 10 км (как известно глубина Марианской впадины достигает 11 км). Другие теоретики рассматривают возможность искусственного удаления орбиты Земли на безопасное расстояние от Солнца (к примеру, через изменение периода вращения Земли с помощью различных технических средств наподобие реактивных двигателей).

Новые аспекты в теме внеземной жизни в связи со смертью Солнца

На примере других звезд мы знаем, что за стадией красного гиганта следует стадия сброса его оболочки, и образование планетарной туманности с белым карликом внутри. Процесс сброса оболочки приведет к дальнейшей дестабилизации гравитационного поля Солнечной Системы, что повлечет за собой сильное смещение орбит всех планет нашей системы, а также астероидов и комет. В ходе этой дестабилизации одни тела могут столкнуться с Солнцем, с другими объектами Солнечной Системы или быть выброшенными за пределы Солнечной Системы в межзвездное пространство. Нынешние поиски транзитных планет у белых карликов подтверждают эти предположения. Так вблизи белых карликов практически не наблюдаются крупные планетоподобные объекты (все современные находки в этой области ограничены лишь объектами размерами с Цереру или меньше).

Интересным вопросом является тема расширения зоны обитаемости Солнца во время стадии красного гиганта. Как говорилось выше, во время этой стадии светимость Солнца превысит нынешнюю примерно в 5 тысяч раз. В результате этого произойдет расплавление поверхностного льда на крупных шарообразных телах периферии Солнечной Системы: к примеру, на спутниках Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна (за исключением Тритона, который по прогнозам должен быть разрушен приливными силами Нептуна через 3.6 миллиардов лет). Теоретически этот процесс может привести даже к появлению сложной (многоклеточной) жизни на этих телах (в настоящее время рассматривается вопрос наличия жизни в подледных океанах Европы, Энцелада и т.д.). Более того, не исключено образование океанов, состоящих из жидкой воды и на более отдаленных объектах Солнечной Системы – крупнейших объектах пояса Койпера (Плутон, Эрида, Хаумеа, Макемаке, Кваовар и т.д.).

Изучение планетарных туманностей – новые горизонты знаний о будущем Солнечной Системы

Интересным направлением в последние годы стало изучение остаточных туманностей, которые образуются во время финальных стадий эволюции звезд. Так наблюдение Крабовидной туманности привело к обнаружению у них множества небольших сгущений (т.н. “globulletes”). Оцениваемая масса этих сгущений примерно соответствует массе нашей планеты, их наблюдаемое количество в туманности достигает нескольких десятков или сотен.

Вышеприведенные слайды взяты из видеозаписи семинара НКЦ SETI “Планеты-кочевники и малые (субпланетные) тела в Галактике”.

С другой стороны можно предположить, что наблюдаемые сгущения наоборот являются следствием разрушения крупных оортоидов или небольших блуждающих планет в облаках горячего газа расширяющейся туманности. Аналогичные процессы должны происходить и в планетарных туманностях (газ в таких туманностях нагрет до примерно 10 тысяч Кельвинов). Сгущения в планетарных туманностях называются “cometary knots”, их типичная масса сравнима с массой Земли при размере с Солнечную систему при внешней границе по орбите Нептуна.

Оцениваемая масса типичной планетарной туманности составляет около одной десятой массы Солнца, а её примерное время жизни порядка 10 тысяч лет. Для сравнения суммарная масса планет Солнечной Системы примерно в тысячу раз меньше массы Солнца: тем самым в планетарной туманности находится объем строительного материала, которого может хватить для образования примерно ста Юпитеров. Типичная скорость расширения планетарных туманностей составляет 20-40 км в секунду, что незначительно превышает третью космическую скорость в Солнечной Системе (16 км в секунду).