Планеты-гиганты Солнечной системы распадаются в 9 из 10 симуляций

Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун долгое время считались самым надёжным механизмом Солнечной системы — набором орбит, которые, как ожидалось, переживут Вселенную многократно. Новые симуляции показывают, что само Солнце разрушит этот механизм, умирая, скорее всего, примерно через миллиард лет после превращения в белый карлик.

Виной всему — то, как Солнце теряет массу. Более ранние расчёты предполагали, что умирающее Солнце сбрасывает свои внешние оболочки равномерно, как медленная утечка, что растягивает каждую орбиту, не нарушая порядка планет. Новая работа, выполненная Константином Батыгиным (Konstantin Batygin) и Джимом Фуллером (Jim Fuller) из Калтеха, а также Фредом Адамсом (Fred Adams) из Мичиганского университета, исходит из данных, что умирающие звёзды сбрасывают свои оболочки отдельными неравномерными выбросами. Каждый выброс даёт Солнцу небольшой толчок, и планеты ощущают каждый из них.

В сотнях смоделированных будущих эти толчки накапливались. В сценарии, который авторы считают наиболее близким к наблюдениям, около 40% смоделированных солнечных систем были уже разрушены или жестоко перемешаны к моменту формирования белого карлика, а примерно девять из десяти распались в течение 3 миллиардов лет. В некоторых прогонах Сатурн был полностью выброшен из Солнечной системы. В других — Уран и Нептун поменялись местами.

Если результат подтвердится, конец Солнечной системы перестаёт быть отдалённой случайностью, вызванной пролетающей звездой. Он становится частью того, как умирает Солнце, и та же логика применима почти к каждой планетной системе в галактике, поскольку почти все звёзды заканчивают свою жизнь как белые карлики.

Почему умирающее Солнце пинает свои планеты

Примерно через 5 миллиардов лет Солнце раздуется в красный гигант, и за свои гигантские фазы оно потеряет около 46% своей массы. С меньшей удерживающей массой планеты дрейфуют наружу. В равномерной картине каждая орбита увеличивается примерно в 1,85 раза, так что внешняя Солнечная система становится увеличенной, более медленной копией той, что мы знаем.

Намёк на то, что потеря не равномерна, поступает от Gaia, спутника Европейского космического агентства для картирования звёзд. Отслеживая пары звёзд, которые вращаются друг вокруг друга на больших расстояниях, астрономы обнаружили, что новорождённые белые карлики движутся так, как будто получили толчок со скоростью около 0,75 км/с, примерно 2700 км/ч. Звезда, которая сбрасывает газ равномерно во всех направлениях, не получила бы никакого толчка.

Ведущее объяснение, недавно предложенное Фуллером, заключается в том, что оболочка красного гиганта покидает его в виде отдельных струй, вызванных перемешиванием его внешних слоёв. Телескопы, объединяющие свет от нескольких зеркал, уже показывают отдельные, смещающиеся облака пыли вокруг стареющих звёзд-гигантов. Каждая струя слегка толкает звезду в случайном направлении, и эти толчки складываются в наблюдаемый импульс.

Для планет толчок Солнцу — это толчок каждой орбите одновременно. В контрольном случае исследования Солнце получает около 4600 отдач по несколько метров в секунду каждая, с медианой около 7 м/с. По отдельности они крошечны. Поскольку они происходят в случайные точки на орбите каждой планеты, они не компенсируют друг друга, и орбиты начинают блуждать. «Всё меняется, когда оболочка покидает звезду частями», — пишут авторы.

Как они это сделали

Команда использовала rebound, широко используемый открытый код, который вычисляет, как тела движутся под действием гравитации друг друга, и объединила его с моделью эволюции Солнца, построенной с помощью MESA, стандартной программы звёздной эволюции. Четыре гигантские планеты стартовали со своих нынешних положений и скоростей, а затем Солнце теряло массу по этой модельной траектории.

Сначала был контрольный эксперимент. В более чем 60 прогонах с равномерной потерей массы результат никогда не менялся: орбиты расширялись, соотношения между орбитальными периодами планет оставались замороженными, и система оставалась стабильной миллиарды лет.

Затем исследователи разбили потерю массы на части. Они провели 672 симуляции, варьируя размер каждой выброшенной порции газа от одной десятимиллионной до одной десятитысячной массы Солнца и варьируя, происходили ли выбросы на протяжении всех гигантских фаз Солнца или только на последней, называемой асимптотической ветвью гигантов. Каждое конечное состояние затем отслеживалось ещё 3 миллиарда лет без пролетающих звёзд или других внешних возмущений.

От 10¹⁸ лет до примерно одного миллиарда

Числа, которые заменяются, огромны. Один только хаос, по оценкам, требовал около 10¹⁸ лет, миллиард миллиардов лет, чтобы дестабилизировать Уран. Добавление пролетающих звёзд, которые находят расширенные орбиты более лёгкой целью, сократило оценку до 30–100 миллиардов лет. Возраст Вселенной — около 13,8 миллиарда лет.

При калибровке, которую авторы считают предпочтительной, Солнечная система теперь распадается сама по себе примерно через миллиард лет после формирования белого карлика, в сто раз раньше ожидаемого времени до первой разрушительной пролетающей звезды. В самых бурных прогонах орбита Нептуна была растянута до эксцентриситета около 0,5, так что его расстояние от Солнца менялось бы в три раза между ближайшей и самой удалённой точками.

Проблемы не всегда ждут, пока Солнце закончит умирать. В 37 из 48 прогонов предпочтительного сценария орбиты начали пересекаться до окончания потери массы, самые ранние — когда Солнце ещё было красным гигантом, сохраняя 89% своей нынешней массы. В одном примере Сатурн был выброшен в течение 2,5 миллиона лет после рождения белого карлика, оставив Уран и Нептун связанными вместе.

Исаак Ньютон (Isaac Newton) подозревал, что взаимное притяжение Юпитера и Сатурна в конечном итоге разрушит порядок планет. Лаплас (Laplace) и Лагранж (Lagrange) позже показали, что, на их уровне приближения, орбиты только колеблются, и три века расчётов продолжали отодвигать вердикт. «Неустойчивость, предвиденная Ньютоном, всё же реальна. Он ошибался только в отношении виновника», — заключают авторы.

Не каждый исход был разрушительным. Некоторые прогоны захватывали пары планет в резонансы — ритмические орбитальные паттерны, которых никогда не было у Солнечной системы: Юпитер и Сатурн в соотношении 5:2, или Уран, совершающий два оборота на каждый один оборот Нептуна. В 8 из 672 симуляций обе пары были захвачены одновременно. Эти связанные системы не были безопаснее, и в самых мелкозернистых прогонах они выживали немного реже, чем остальные.

Что симуляции не проясняют

Всё зависит от величины, которую никто не измерял напрямую: насколько велика каждая порция уходящего газа. Если Солнце сбрасывает свою оболочку порциями в одну десятимиллионную своей массы или меньше, выбросы в значительной степени усредняются, и Солнечная система выживает как увеличенная копия самой себя. Бурные исходы начинаются, когда порции достигают примерно одной стотысячной солнечной массы.

Мост от толчков Gaia к размеру порций также является интерпретацией. Он предполагает, что толчки происходят от множества независимых выбросов. Авторы утверждают, что даже нижняя граница измеренного диапазона, 0,25 км/с, уже подразумевает порции в бурном режиме. Они также отмечают, что их основной сценарий распространяет выбросы за пределы асимптотической ветви гигантов — фазы, для которой модель лучше всего откалибрована. Ограничение выбросов этой фазой устранило все ранние разрушения на стадии красного гиганта, однако 83% систем всё равно стали нестабильными в течение 3 миллиардов лет.

Работа оставляет в стороне внутренние планеты. Она отслеживает только четыре гиганта, так что Меркурий, Венера, Земля и Марс не участвуют в расчётах. Более ранние исследования оценивают риск для самого Меркурия примерно в 1% — это вероятность того, что его орбита станет нестабильной до того, как Солнце покинет свою текущую фазу горения водорода.

Теория также даёт предсказания, которые астрономы могут проверить. Если умирающие звёзды регулярно стряхивают свои планеты, молодые белые карлики должны путешествовать с популяцией свободно плавающих планет. В этих симуляциях гиганты гораздо чаще выбрасывались, чем сталкивались, и обломки, которые всё же падают на белые карлики, должны происходить в основном от каменистых тел, а не от гигантских планет, что соответствует каменистому материалу, измеренному в загрязнённых белых карликах на сегодняшний день.

Часто задаваемые вопросы о смерти Солнца и планетах

Распадётся ли Солнечная система, когда Солнце умрёт?

Согласно этим симуляциям, вероятно, да для гигантских планет. Если Солнце теряет свои внешние оболочки тысячами отдельных выбросов, как предполагают толчки белых карликов, примерно девять из десяти смоделированных систем стали нестабильными в течение 3 миллиардов лет после формирования белого карлика. При равномерной потере массы планеты оставались стабильными.

Когда Солнце станет красным гигантом?

Примерно через 5 миллиардов лет. Затем Солнце потеряет около 46% своей массы за свои гигантские фазы, прежде чем закончить как белый карлик массой около 0,54 солнечных масс. В исследовании разрушения происходят во время этой потери массы или в следующие несколько миллиардов лет.

Что такое толчок белого карлика?

Это небольшая скорость, которую звезда, по-видимому, приобретает, становясь белым карликом, около 0,75 км/с согласно измерениям Gaia для широких пар звёзд. Толчок означает, что звезда потеряла свой газ неравномерно, и каждый неравномерный выброс также толкает любые планеты на орбите.

Может ли Сатурн действительно быть выброшен из Солнечной системы?

В некоторых симуляциях — да. В одном прогоне Сатурн был выброшен в течение 2,5 миллиона лет после формирования белого карлика. Среди гигантских планет выбросы были более распространены, чем столкновения, поэтому потерянные планеты будут дрейфовать по галактике как свободно плавающие миры.

Что дальше

Исследование появилось в The Astrophysical Journal Letters в сентябре 2026 года, после препринта на arXiv, и получило более широкое освещение 12 октября. Его центральное число может быть уточнено с помощью дополнительных измерений толчков белых карликов от Gaia и лучших моделей того, как звёзды-гиганты выбрасывают газ. Авторы также указывают на планеты и обломки, которые сейчас находят вокруг белых карликов, как на запись того, как умерла каждая звезда, так что каждая новая обнаруженная система проверяет, обречены ли гиганты Солнца или просто увеличены.

Ссылка: Batygin et al., «Terminal Instability of the Solar System Triggered by Stochastic Solar Mass Loss,» The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/aea290

Теги: астрономия, белый карлик, Caltech, Konstantin Batygin, University of Michigan, Солнечная система