Что будет с Землей, когда Солнце станет красным гигантом?
С самого начала человеческой цивилизации, люди понимали, что Солнце является основополагающей частью жизни, в том виде, в котором мы её знаем. Солнце имело огромное значение для бесчисленных мифологических историй и легенд по всему миру, и со временем мы поняли, что Солнце существовало задолго до нас, и будет существовать ещё долго после того, как наша цивилизация исчезнет. Сформировавшись примерно 4,6 миллиарда лет назад, наше Солнце начало свою жизнь за 40 миллионов лет до того, как образовалась Земля.
С тех пор ядерный синтез в ядре Солнца давал возможность развиваться белковым формам жизни на нашей планете. И этот процесс длится уже 4,5 миллиарда лет. И продлится ещё примерно 1 миллиард лет, после чего Солнце, истощив свои запасы водорода и гелия, претерпит некоторые серьёзные изменения.
Ведущая теория, описывающая то, как именно наше Солнце и Солнечная система сформировались известна как “теория туманности”. Согласно ей, Солнце и все планеты образовались из гигантского облака молекулярного газа и пыли, которое на определённом этапе своего существования пережило гравитационный коллапс. Этот коллапс мог произойти в результате, например, прохождения рядом звезды или ударной волны, вызванной взрывом сверхновой, что и запустило процесс, приведший к рождению нашего Солнца.
В последние 4,57 миллиарда лет (как, собственно и сейчас) внутри Солнца происходил процесс превращения водорода в гелий. Кроме изменения свойств вещества, этот процесс также приводил к образованию огромного количества энергии. Как известно, каждую секунду, 600 миллионов тонн вещества внутри Солнца преобразуются в солнечное излучение, энергия которого составляет примерно 4*10 27 Вт. Естественно, этот процесс не может продолжаться вечно, так как он привязан к количеству водорода. С течением времени всё большая и большая часть водорода будет превращаться в гелий, ядро будет уменьшаться, тем самым испытывая всё большее и большее давление.
Увеличение давления в ядре приведёт к увеличению скорости синтеза водорода. По сути, это означает, что, Солнце расходует водород с постоянным ускорением. К настоящему времени это уже привело к тому, что его светимость возрастает на 1% каждые 100 миллионов лет, а за последние 4,5 миллиарда лет светимость Солнца изменилась на 30%.
Примерно через 1,1 миллиарда лет, Солнце будет на 10% ярче, чем сегодня. Это увеличение яркости также будет означать увеличение тепловой энергии, которую поглощает атмосфера Земли. В итоге такие метаморфозы приведут к возникновению парникового эффекта, который будет очень похож на тот, который мы видим на Венере сегодня.
Через 3,5 миллиарда лет, Солнце станет на 40% ярче, что приведёт к испарению океанов и плавлению ледяных шапок, а водяные пары в атмосфере будут выброшены в космическое пространство. В таких условиях, жизнь, как мы её знаем, перестанет существовать в любом месте на поверхности, и планета Земля превратится в жаркий и сухой мир подобный Венере.
Через 5,4 миллиарда лет, Солнце перейдёт в стадию красного гиганта и начнёт стремительно увеличиваться в размерах. Подсчитано, что расширяющееся Солнце сможет охватить орбиты Меркурия, Венеры, и, возможно, даже Земли. Тем не менее, астрономы отмечают, что, параллельно с расширением Солнца, орбита нашей планеты должна также измениться.
Когда Солнце достигнет этой поздней стадии своей эволюции, оно потеряет огромное количество своей массы, излучая мощные звёздные ветра. В результате, орбиты планет будут увеличиваться, двигаясь по спирали. Получается, имеется небольшой шанс, что Земля будет пригодной для жизни?
К. -П Шрёдер (K.-P Schroder) и Роберт Кэннон Смит (Robert Cannon Smith) решили подробнее изучить этот вопрос. В своей научно-исследовательской работе, озаглавленной «Отдалённое будущее Солнца и Земли», которая появилась в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, они опубликовали расчёты, основанные на самых современных моделях звёздной эволюции.
По словам Шрёдера и Смита, когда Солнце станет красным гигантом в возрасте 7,59 миллиардов лет, оно начнёт очень быстро терять массу, однако его радиус к тому времени достигнет своего наибольшего значения. В этот период масса Солнца будет составлять всего 67% от современной, а радиус будет в 256 раз больше, чем текущий. Когда Солнце начнет расширяться, оно поглотит всю внутреннюю часть Солнечной системы всего за 5 миллионов лет. И это не очень хорошая новость. По словам Шрёдера и Смита несмотря на то, что земная орбита будет увеличиваться вплоть до 1,5 а.е., расширяющееся Солнце все равно поглотит её, прежде чем оно достигнет финала стадии красного гиганта.
Таким образом, мы можем с уверенностью сказать, что человечеству придется покинуть свою колыбель задолго до того, как она будет поглощена Солнцем. К тому же, учитывая тот факт, что мы имеем дело с временными шкалами, которые находятся далеко за пределами нашего понимания, мы не можем быть уверены, что какие-либо другие катастрофические события не погубят нашу цивилизацию.
Побочным эффектом превращения Солнца в красного гиганта, будет перенос границ обитаемой зоны, что изменит Солнечную систему. В то время как Земля, находящаяся к тому времени в 1,5 а.е., больше не будет находиться в пределах обитаемой зоны Солнца, большая часть внешней Солнечной системы – окажется именно там. Эта новая обитаемая зона будет простираться от 49,4 до 71,4 а.е., то есть в поясе Койпера – что означает, что сегодняшние ледяные миры будут таять, а жидкую воду можно будет найти далеко за пределами орбиты Плутона.
Возможно, Эрис будет нашим новым домом, карликовая планета Плутон будет новой Венерой, а Хаумеа и Макемаке станут внешней частью солнечной системы. Но, пожалуй, самый интересный вопрос – это: будем ли мы всё ещё жить здесь или всё же сможем колонизировать другие планеты?
Источник
Когда Солнце станет красным гигантом (разбор полётов планет)
Все звёзды во вселенной выглядят как шар со светящимся газом. В форме шара газ находится благодаря гравитации. А на звёздах гравитация имеет невообразимо чудовищную силу. Такая мощная гравитация была бы способна сжать газ до твёрдого состояния, т.е. превратить звезду в твёрдый шарик, если бы не одно «но». Чем больше газа, тем под большим давлением находится газ в недрах звезды. А когда газ сжимается, происходит его нагрев, чем сильнее сжимается, тем сильнее нагревается.
В итоге, атомы и молекулы, из которых состоит газ, чаще и с большей скоростью начинают сталкиваться друг с другом. Молекулы разрушаются при относительно не больших давлениях. На нашем Солнце молекулы существовать вообще не способны даже на поверхности, они моментально разрушаются. А вот атомы, ведут себя по разному. Часть из них, преодолев силу электростатического отталкивания, соединяются вместе, образуя новый, более тяжёлый атом, таким образом, происходит термоядерная реакция. Другая же часть атомов, разрушается на составные частицы. Термоядерная реакция и разрушение, сопровождаются огромным выделением энергии, которая заставляет двигаться атомы и частицы с огромной скоростью. Именно огромная скорость атомов и частиц не даёт сжаться звезде до твёрдого шарика.
Некоторые атомы и частицы приобретают такую большую скорость, что гравитация не может удержать их, и они навсегда покидают звезду. Таким образом, звёзды теряют часть своей массы!
А чем меньше масса звезды, тем меньшей скоростью нужно обладать атомам и частицам, чтобы суметь оторваться от гравитационных оков и покинуть звезду. Таким образом, процесс потери массы и ослабевания гравитационного поля постоянно ускоряется.
А теперь самое главное. С потерей массы и уменьшением силы гравитационного поля, звезда увеличивается в объёме! Потому что движущиеся с большой скоростью атомы и элементарные частицы стремятся растолкать друг друга в разные стороны. А увеличение объёма опять же приводит к уменьшению силы гравитации! Потому что сила гравитации как бы рассеивается. Например, если взять всю массу газа, нашего Солнца, и равномерно рассеять её до орбиты Марса, то сила притяжения, действующая на Юпитер, будет во много раз слабее, чем та сила, которая действует в данный момент.
Это видно из формулы ускорения свободного падения:
Ускорение свободного падения g является величиной, характеризующей силу гравитационного поля. Из формулы видно, что чем больше будет радиус небесного тела R , при неизменной массе M , тем меньше будет ускорение свободного падения, т.е. меньше будет и сила гравитационного поля.
Подведу итог и повторюсь, что все звёзды со временем теряют свою массу, а их гравитационное поле слабеет не только по причине потери массы, но ещё и за счёт увеличения в объёме. И процесс этот происходит с каждым разом всё быстрее и быстрее.
Если сила гравитации звезды постоянно слабеет, то разумеется, это должно отразиться и на орбитах планет, которые вращаются вокруг звезды. Резкого удаления произойти не может, потому что сам процесс ослабевания гравитации звезды тоже не является резким, поэтому планеты удаляются по спирали. Но не по простой спирали!
Орбиты планет являются шаткими. Если планета движется вокруг звезды, то сдвиг всего на 1 миллиметр от звезды должен бы повлечь за собой выход на параболическую орбиту, т.е. планета не сможет совершить круговое движение, а через определённое время попросту покинет звёздную систему. Но такого не происходит по той причине, что планеты вокруг звёзд движутся не с постоянной скоростью!
При попытке удалиться от звезды скорость движения планеты уменьшается, а при попытке приблизиться — увеличивается. Уменьшать и увеличивать скорость в вакууме способна сила гравитации. В итоге, получается так, что орбита планеты вытягивается в эллипсоидную. Т.е. когда планета пытается удалиться, она отлетает от звезды всё дальше и одновременно с этим замедляет свою скорость, при этом её траектория движения всё больше закручивается вокруг звезды. Однажды наступает такой момент, когда планета опять начинает приближаться к звезде и на этом этапе по мере приближения к звезде её скорость уже начинает не уменьшаться, а наоборот, увеличиваться.
Масса самих планет тоже не является стабильной. Если звёзды постоянно теряют массу, то планеты наоборот постоянно её увеличивают. Это происходит по многим факторам: кометы и астероиды; частицы, летящие от солнца; космическая пыль, встречающаяся на пути планеты и т.д.. Подсчитать, на сколько увеличилась масса планеты за год можно, а вот предсказать, на сколько она увеличится в следующий год невозможно. Увеличение массы планет не стабильное, потому вести подсчёты и предсказывать такое явление невозможно.
Одни планеты наращивают массу очень быстро, например, Юпитер, а другие очень медленно, например, наша планета Земля.
Так вот наша планета Земля наращивает массу настолько медленно, что не в состоянии полностью компенсировать быстро слабеющую гравитацию Солнца. Поэтому наша планета постоянно, по миллиметрам, отдаляется от Солнца и её эллипсоидная орбита с каждым разом вытягивается всё больше, получается эллипсоидная спираль. Если ничто не увеличит рост массы планеты, то отдаление от Солнца так и будет продолжаться.
Со временем Солнце начнёт всё быстрее увеличиваться в объёме, соответственно и орбита Земли начнёт также быстро отдаляться от Солнца и всё больше вытягиваться в эллипс. То же самое произойдёт с Марсом и поясом астероидов. А вот такие крупные планеты как Юпитер и Уран будут явно медленнее отдаляться от Солнца, чем Земля с Марсом и поясом астероидов. Возможно, крупные планеты будут даже приближаться к Солнцу. Когда Юпитер поглотит поле астероидов и Марс, скорее всего он будет именно сближаться с Солнцем.
Существует такое событие как противостояние планет. Это такое событие, при котором планеты выстраиваются на одной линии с Солнцем. В моменты противостояния Земли с Юпитером происходит их сближение. Т.к. планеты движутся по орбитам, то во время противостояния они не сближаются друг с другом до столкновения, а отклоняются на определённое значение и самая быстрая планета улетает дальше по своей орбите. В настоящее время расстояния между планетами настолько велики, что силы притяжения, во время противостояния не способны сблизить планеты на ощутимые расстояния, потому и создаётся ощущение стабильности системы миллионы лет.
Когда орбита Земли ощутимо сблизится с орбитой Юпитера, тогда и сближение во время противостояния планет станет ощутимым. Земля многие годы, с каждым вращением вокруг Солнца, будет подходить к Юпитеру всё ближе и ближе. И это будет происходить не только за счёт слабеющего гравитационного поля Солнца, но и за счёт притяжения к Юпитеру.
И наконец, наступит такой момент, когда Земле останется сделать последний круг по орбите, после которого, во время противостояния она уже гарантированно столкнётся с Юпитером. Если в это время на планете ещё останутся люди, то им придётся либо уменьшать массу планеты, чтобы расширить орбиту, либо увеличить скорость планеты каким-либо образом, что также приведёт к расширению орбиты. Тогда на том витке, который должен был стать последним, Земля окажется далеко за орбитой Юпитера во время противостояния, но дальше опять же придётся решать проблему и с другими планетами.
Источник
Что случится с Солнцем через миллиарды лет?
Все мы знаем, что Солнце — это звезда класса «жёлтый карлик». Она находится от нас в 150 миллионах километров и обеспечивает Землю, да и вообще все тела в Солнечной Системе энергией. Всего за год наша звезда выбрасывает в космос около 3,8*10^34 Дж энергии (всего 0.00002% от этого достаётся Земле и хватает для её обогрева) , теряя при этом 4.3 миллиона тонн. Логично, что когда-нибудь оно закончится, так?
Да, и этот процесс будет очень красивым. Жалко, что мы его не увидим. Солнце светится и выбрасывает такое большое количество энергии, потому что это огромный термоядерный реактор — в центре звезды проходят реакции по превращению водорода в гелий с выбросом огромного количества энергии. И когда водород закончится, то в термоядерные реакции вступит гелий — именно на этой стадии Солнце превратится в красный гигант. Это произойдёт приблизительно через 5 миллиардов лет
Размеры такого Солнца будут в 200 раз превышать нынешние. Меркурий и Венера будут попросту поглощены им, а Земля окажется так же близко, как и сегодня Меркурий находится близко к Солнцу. Наивно думать, что жизнь на ней останется — скорее всего, она исчезнет ещё задолго до превращения Солнца в красного гиганта. Каждый миллиард лет наша звезда увеличивает яркость на 10%, и уже через 2-3 миллиарда вся вода на Земле испарится. А если нет воды — то нет и жизни.
Какие изменения ждут Солнечную Систему ?
Во-первых, наша звезда уже не будет такой горячей, как сейчас (всего 2-3 тысячи Кельвинов против 5-9 тысяч). Из-за этого уменьшится нагрев планет. И хотя количество получаемой энергии снизится, из-за увеличенного размера Солнца могут образоваться условия для формирования жизни на Марсе, Юпитере и Сатурне. Сейчас это холодные планеты, но пройдёт время, и они нагреются. Марс может стать тёплой Землёй, и там, возможно, появится жизнь.
Также уменьшится гравитация Солнца — из-за потери массы (хоть звезда и увеличится, не забываем, что она теряет массу каждую секунду, и эти процессы только усилятся). Из-за этого орбиты планет могут поменяться, отодвинуться от звезды.
Но чего точно не останется — так это пояса астероидов между Юпитером и Марсом. Они остаются в «подвешенном» состоянии, вращаясь между Солнцем и Юпитером, но когда гравитация Солнца уменьшится, то большинство астероидов притянет либо к нему, либо к Юпитеру. Остальные же попросту «вышвырнет» из Солнечной Системы гравитацией.
Красным гигантом Солнце пробудет сравнительно недолго — около 100 миллионов лет, именно тогда закончится гелий. А что же будет сжигаться дальше? Всё остальное — углерод, металлы, азот, кислород и т.д.
Солнце после красного гиганта
На этом этапе Солнце сожмётся до размеров в 100 раз меньше, чем при нынешних. Она станет белым карликом — очень плотной и маленькой звездой. Также на стадии сжатия часть Солнца отделится и сформирует ионизированное облако газа (то есть это вещество в состоянии плазмы) размером в несколько солнечных. В итоге получится планетарная туманность:
Через ещё десятки миллиардов лет у Солнца не останется достаточной энергии для удерживания вокруг себя газового облака, и оно улетучится в космос. В конце останется одна маленькая звезда, которая будет медленно угасать до конца своих дней.
Кстати, через 5 миллиардов лет будет ещё одно интересное событие — закончится начавшееся 2 миллиарда лет ранее слияние Млечного пути и соседней галактики Андромеды. В результате получится новая галактика Млекомеда. Есть предположение, что нашу Солнечную Систему попросту выкинут из новой галактики в результате гравитационного манёвра. К сожалению, мы этого уже не узнаем.
Есть ли шанс выжить у человечества? Скорее всего, к тому времени люди полностью исчезнут как вид, ведь мы существуем всего 3 миллиона лет. За 1 тысячу лет наши технологии преобразились от копий и луков до космических кораблей. Можете ли представить, что произойдёт с нами хотя бы за миллион лет? А за миллиард? Быть может, будущие люди будут наблюдать за этим событием, покорив всю галактику или даже вылетев в соседние.
Если понравилась эта статья, то ставь палец вверх и подписывайся на мой канал — там ещё множество научных тем: космос, химия, физика, технологии,изобретения и многое другое. Читай меня в телеграме ( Будни Учёного 2.0 ) и в Яндекс.Дзене ( Мир науки )!
Источник