Содержание
Можно ли пережить гибель Солнца, превратив Землю в космический корабль?
Человек давно догадался, что ничто не вечно под Солнцем. В середине прошлого века выяснилось, что не вечно и наше светило. Через 5,5 млрд лет оно начнет медленно расширяться, а его поверхность – остывать…
Алексей Левин
Грядущие катаклизмы не сулят ничего хорошего нашей планете. Расчеты показывают, что через несколько миллиардов лет, в фазе максимального расширения Солнца, нынешняя орбита Земли окажется внутри его плазменного океана. Судьба самой Земли не столь ясна, но тем не менее трагична. Поскольку Солнце в ходе превращения в красный гигант потеряет около трети массы, его гравитация сильно ослабнет. Можно ожидать, что радиус земной орбиты из-за этого удлинится примерно на 60 млн километров и Земля, по всей видимости, не попадет в солнечную топку. Однако ее поверхность нагреется как минимум до 2000 градусов — со всеми очевидными последствиями. Согласно еще одной модели, позднее Землю затормозят приливные силы и она нырнет-таки в атмосферу Солнца.
Бегство Земли
Вроде бы эти прогнозы не должны нас беспокоить — существуют опасности поближе. С момента рождения Солнца его светимость неуклонно возрастает. Уже через 1−2 млрд лет океаны испарятся и поверхность планеты окажется непригодна для жизни (на самом деле серьезные неприятности начнутся намного раньше). Но, допустим, наши далекие потомки как-то справятся с этой угрозой. Возникает вопрос, придется ли им рано или поздно строить космические эскадры, чтобы убираться с родной планеты, или же они смогут спасти ее от сгорания в солнечной печи?
Оказывается, такие возможности есть и даже уже обсуждаются. Одну из них в 1982 году предложил М. Таубе, специалист по ядерным технологиям из Цюрихского политехнического института. Он рекомендует превратить нашу планету в исполинский космический корабль и, не дожидаясь катастрофы, отправиться в долгое путешествие за орбиту Плутона. Таубе полагает, что это можно сделать, сохранив суточный ритм вращения Земли, изменение которого повлекло бы за собой глобальные геологические катаклизмы.
Планета как корабль
Каким же образом? Таубе предлагает поставить на экваторе на одинаковом расстоянии друг от друга 24 исполинские связки, включающие по сотне ракет с 30-километровыми соплами. Каждый ракетный комплекс нужно включать один раз в сутки за полчаса до полудня по местному времени, а работать он должен в течение часа. В результате на Землю будет непрерывно действовать реактивная сила, направленная вдоль ее радиуса-вектора в сторону, противоположную Солнцу. Это позволит Земле удалиться от Солнца (естественно, не расставшись с Луной) по медленно раскручивающейся спиральной траектории, которая постепенно выведет ее за орбиту Плутона.
Таубе продумал все детали. Энергию для такого рейса обеспечат термоядерные реакторы — ничего лучшего пока не предвидится. Каждая ракета во время работы будет ежесекундно выбрасывать в пространство 100 т сверхгорячего водорода, вылетающего из ее сопла со скоростью 300 км/с.
Расчеты показали, что от начала путешествия до его финиша пройдет не столь уж много времени, всего несколько десятков тысяч лет. Естественно, маневрировать Землей в космосе не получится, и поэтому загодя будет необходимо уничтожить или переместить астероиды, которые могут оказаться на ее пути.
Планетарная бухгалтерия
Хватит ли человечеству ресурсов, чтобы реализовать такую грандиозную задачу? Нужное количество водорода составляет 10% массы Земли. Откуда же его взять, если общее количество этого элемента в составе нашей планеты много меньше одного процента? Таубе предлагает добывать водород либо на Юпитере, либо на иной гигантской планете, где его в избытке.
Цюрихский пророк позаботился и об удовлетворении энергетических потребностей землян по завершении путешествия. Поначалу их будет обогревать раздувшееся Солнце, но как быть, когда от него останется лишь стынущий белый карлик? Одно из возможных решений состоит в том, чтобы добывать на Юпитере дейтерий и транспортировать его на поверхность карлика, чтобы поддерживать реакции термоядерного синтеза, идущие с выделением энергии.
Таубе подсчитал, что такая искусственная звезда обеспечит наших потомков теплом и светом на сотню миллиардов лет. А о том, что произойдет в дальнейшем, пока можно не беспокоиться.
В 2008 году Таубе несколько модифицировал этот план. В частности, он предложил растянуть путешествие Земли к поясу Койпера на 10 млн лет и там вывести ее на орбиту вокруг искусственного Солнца, созданного за счет слияния пары десятков газовых гигантов, конфискованных у других звезд. Так что возможностей у наших потомков много. Но вот будет ли желание?
Когда Солнце станет красным гигантом, Земля может избежать поглощения
wpclipart.com
ВСЕ ФОТО
Итальянские астрономы выдвинули версию, согласно которой Солнце через пять миллиардов лет, превратившись в «красного гиганта», хотя и увеличится в размере в 100 раз, поглотив Меркурий с Венерой, но, возможно, пощадит Землю.
Ученые нашли планету, находившуюся на том же расстоянии от своей звезды, что и Земля от Солнца, т.е. около 150 млн км, пишет газета The New York Times. Сейчас это расстояние увеличилось почти в два раза. Трудно предсказать, что произойдет с нашей планетой, когда на Солнце кончится водород — или Земля все-таки будет поглощена Солнцем, или отдалится от него.
Как рассказал Роберто Сильвотти, астроном из обсерватории Неаполя, звезда V391 Pegasi находится на расстоянии 4500 световых лет от Земли, а масса этой стареющей звезды составляет примерно половину от массы Солнца. Вокруг нее вращается огромная планета, раза в три крупнее Юпитера. Звезда V 391 Pegasi, пройдя стадию «красного гиганта», превратилась теперь в так называемого «субкарлика» — относительно небольшую по размеру звезду, содержащую в себе несколько элементов тяжелее гелия и светящуюся не так ярко, как обычные звезды той же температуры.
Роберто Сильвотти считает, что это открытие побудит астрономов к поискам аналогичных систем, чтобы систематизировать полученную информацию и составить модели взаимодействия небесных тел в подобных условиях.
Это, в свою очередь, позволит более точно предсказать, что случится с Землей через пять миллиардов лет, хотя, признает итальянский астроном, у нашей планеты полно и более актуальных проблем. Отчет о своем открытии ученые публикуют в журнале Nature.
Астрономы также заметили, что бывший «красный гигант» пульсирует, разгораясь и затухая каждые шесть минут. Итальянские астрономы наблюдают за этой звездой семь лет и в течение последних трех лет обнаружили определенные колебания в цикле пульсации, на которые, установили они, влияет масса планеты. Это не первый случай, когда на цикл пульсирования звезды влияют расположенные поблизости планеты. В 1992 году пульсар PSR1257+12 показал наличие поблизости двух планет.
Американские астрономы обнаружили также потухшую звезду в созвездии Стрельца. Ее масса упала до планетарной и теперь она сама вращается вокруг одной из звезд. Такие системы, возможно, испытали появление т.н. «сверхновых звезд». Ученые признают, что, даже если Земля переживет трансформацию Солнца, для нее это будет очень нелегко.
Когда Солнце превратится в «красный гигант», то, чтобы сохранить угловой момент, оно будет терять в массе, а Земля станет стремиться к уходу на более отдаленную и безопасную орбиту.
Но в то же время нельзя забывать о солнечном притяжении, вследствие чего Земля может раствориться в Солнце. Сейчас очень трудно подсчитать, будет ли Земля поглощена Солнцем или удалится на безопасное расстояние, говорит исследователь Марио Ливио. Самый опасный момент ожидает нашу планету, когда период пребывания Солнца в стадии «красного гиганта» подойдет к концу и произойдет вспышка гелия. Когда это произошло со звездой V 391 Pegasi, она исторгла гелиевые массы. Это еще одна причина опасаться, что Земля может не пережить солнечных метаморфоз через пять миллиардов лет. Но даже если это и случится, нужно учесть, что Солнце тоже не вечно.
Солнце не умрет в течение 5 миллиардов лет, так почему же людям на Земле осталось всего 1 миллиард лет?
Через несколько миллиардов лет Солнце станет красным гигантом настолько большим, что поглотит нашу планету.
Но Земля станет непригодной для жизни гораздо раньше. Примерно через миллиард лет солнце станет достаточно горячим, чтобы вскипятить наши океаны.
Солнце в настоящее время классифицируется как звезда «главной последовательности». Это означает, что он находится в наиболее стабильной части своей жизни, превращая водород, присутствующий в его ядре, в гелий. Для звезды размером с нашу эта фаза длится немногим более 8 миллиардов лет. Нашей Солнечной системе чуть более 4,5 миллиардов лет, поэтому Солнце находится чуть больше половины своего стабильного жизненного цикла.
Даже звезды умирают
После 8 миллиардов лет счастливого сжигания водорода в гелий жизнь Солнца становится немного интереснее. Все меняется, потому что в ядре Солнца заканчивается водород — остается только гелий. Проблема в том, что солнечное ядро недостаточно горячее или плотное, чтобы сжигать гелий.
В звезде гравитационная сила притягивает все газы к центру. Когда у звезды есть водород для горения, создание гелия создает достаточное внешнее давление, чтобы уравновесить гравитационное притяжение.
Но когда в ядре звезды не остается ничего, что могло бы гореть, в дело вступают гравитационные силы.
В конце концов эта сила сжимает центр звезды до такой степени, что он начинает сжигать водород в небольшой оболочке вокруг мертвого ядра, которое все еще полно гелия. Как только Солнце начнет сжигать больше водорода, оно будет считаться «красным гигантом».
Процесс сжатия в центре позволяет внешним областям звезды расширяться наружу. Горящий водород в оболочке вокруг ядра значительно увеличивает яркость Солнца. Поскольку размер звезды увеличился, поверхность остывает и становится раскаленной докрасна. Поскольку звезда ярче, краснее и физически больше, чем раньше, мы называем эти звезды «красными гигантами».
Огненная гибель Земли
Широко известно, что Земля как планета не переживет превращение Солнца в полноценную красную гигантскую звезду. Поверхность Солнца, вероятно, достигнет нынешней орбиты Марса, и, хотя орбита Земли, возможно, также немного расширилась наружу, этого будет недостаточно, чтобы спасти ее от втягивания в поверхность Солнца, после чего наша планета быстро распадаются.
Жизнь на планете столкнется с проблемами задолго до того, как сама планета распадется. Еще до того, как Солнце закончит сжигать водород, его нынешнее состояние изменится. Солнце увеличивает свою яркость примерно на 10% каждый миллиард лет, когда оно сжигает водород. Увеличение яркости означает увеличение количества тепла, получаемого нашей планетой. По мере нагревания планеты вода на поверхности нашей планеты начнет испаряться.
Увеличение светимости Солнца на 10% по сравнению с текущим уровнем звучит не так уж и много, но это небольшое изменение яркости нашей звезды будет довольно катастрофическим для нашей планеты. Это изменение является достаточным увеличением энергии, чтобы изменить расположение обитаемой зоны вокруг нашей звезды. Пригодная для жизни зона определяется как диапазон расстояний от любой данной звезды, где жидкая вода может быть стабильной на поверхности планеты.
Великолепное корональное массовое извержение.
НАСА, CC BY
При увеличении яркости нашей звезды на 10% Земля больше не будет находиться в обитаемой зоне.
Это ознаменует начало испарения наших океанов. К тому времени, когда Солнце перестанет сжигать водород в своем ядре, Марс окажется в обитаемой зоне, а Земля будет слишком горячей, чтобы поддерживать воду на своей поверхности.
Неопределенные модели
Это 10-процентное увеличение яркости солнца, вызывающее испарение наших океанов, произойдет в течение следующего миллиарда лет или около того. Прогнозы того, насколько быстро будет разворачиваться этот процесс, зависят от того, с кем вы разговариваете. Большинство моделей предполагают, что по мере испарения океанов все больше и больше воды будет находиться в атмосфере, а не на поверхности. Это будет действовать как парниковый газ, улавливая еще больше тепла и заставляя все больше и больше океанов испаряться, пока земля не станет в основном сухой, а атмосфера будет удерживать воду, но при чрезвычайно высокой температуре.
Когда атмосфера насыщается водой, вода, находящаяся в самых высоких частях нашей атмосферы, будет подвергаться бомбардировке высокоэнергетическим солнечным светом, который расщепляет молекулы и позволяет воде выйти в виде водорода и кислорода, в конечном итоге обескровливая Земля сухая от воды.
Модели отличаются скоростью, с которой Земля достигает этой точки невозврата. Некоторые предполагают, что Земля станет негостеприимной до отметки в 1 миллиард лет, поскольку взаимодействие между нагревающейся планетой и горными породами, океанами и тектоникой плит высушит планету еще быстрее. Другие предполагают, что жизнь может продержаться немногим дольше 1 миллиарда лет из-за различных потребностей разных форм жизни и периодических выбросов критических химических веществ в результате тектоники плит.
Земля представляет собой сложную систему, и нет идеальных моделей. Однако вполне вероятно, что у нас осталось не более миллиарда лет, чтобы жизнь могла процветать на нашей планете.
Выживет ли Земля, когда Солнце станет красным гигантом?
Художественное представление Земли, выжженной солнцем, входящей в фазу ветви красного гиганта. Предоставлено: Wikimedia Commons/Fsgregs.
С самого начала человеческой истории люди понимали, что солнце является центральной частью жизни, какой мы ее знаем.
Свидетельством этого является важность бесчисленных мифологических и космологических систем по всему миру. Но по мере того, как наше понимание этого возрастало, мы узнали, что солнце было здесь задолго до нас и будет здесь еще долго после того, как мы уйдем. Сформировавшись примерно 4,6 миллиарда лет назад, наше Солнце начало свою жизнь примерно за 40 миллионов лет до того, как сформировалась наша Земля.
С тех пор Солнце находится в так называемой главной последовательности, когда ядерный синтез в его ядре заставляет его излучать энергию и свет, поддерживая нас на Земле. Это продлится еще 4,5-5,5 миллиардов лет, после чего он исчерпает свои запасы водорода и гелия и претерпит серьезные изменения. Предполагая, что человечество все еще живо и называет Землю домом в это время, мы можем подумать о том, чтобы уйти с дороги!
Рождение солнца:
Преобладающая теория образования нашего Солнца и Солнечной системы известна как Небулярная Теория, согласно которой Солнце и все планеты возникли миллиарды лет назад как гигантское облако молекулярного газа и пыли.
Затем, примерно 4,57 миллиарда лет назад, это облако испытало гравитационный коллапс в своем центре, где все, от пролетавшей звезды до ударной волны, вызванной сверхновой, вызвало процесс, который привел к рождению нашего Солнца.
В основном это произошло после того, как очаги пыли и газа начали собираться в более плотные области. По мере того как эти области притягивали все больше и больше материи, сохранение импульса заставляло их вращаться, а увеличение давления вызывало их нагрев. Большая часть материала оказалась в шаре в центре, в то время как остальная часть материи была сплющена в большой диск, который вращался вокруг него.
Молодые звезды имеют вокруг себя диск из газа и пыли, называемый протопланетным диском. Из этого диска формируются планеты, и наличие водяного льда в диске влияет на то, где формируются разные типы планет. Авторы и права: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.
Шар в центре в конечном итоге сформирует солнце, а диск из материала сформирует планеты.
Затем Солнце провело следующие 100 000 лет в качестве коллапсирующей протозвезды, прежде чем температура и давление внутри зажгли термоядерный синтез в его ядре. Солнце начиналось как звезда типа Т Тельца — дико активная звезда, выбрасывающая сильный солнечный ветер. И всего через несколько миллионов лет он принял свой нынешний вид.
Основная последовательность:
В течение последних 4,57 миллиарда лет (плюс-минус день или два) Солнце находилось в главной последовательности своей жизни. Это характеризуется процессом, при котором водородное топливо под огромным давлением и температурой в его ядре превращается в гелий. Помимо изменения свойств составляющих его веществ, этот процесс также производит огромное количество энергии. В общей сложности каждую секунду 600 миллионов тонн материи преобразуются в нейтрино, солнечное излучение и примерно 4 x 10 27 Ватт энергии.
Естественно, этот процесс не может длиться вечно, так как он зависит от наличия регулярно потребляемой материи.
Со временем, когда все больше водорода будет преобразовано в гелий, ядро будет продолжать сжиматься, позволяя внешним слоям Солнца приближаться к центру и испытывать более сильную гравитационную силу.
Это приведет к большему давлению на ядро, которому будет сопротивляться увеличение скорости плавления. По сути, это означает, что по мере того, как Солнце продолжает расходовать водород в своем ядре, процесс синтеза ускоряется, а мощность Солнца увеличивается. В настоящее время это приводит к увеличению светимости на 1 процент каждые 100 миллионов лет и на 30 процентов в течение последних 4,5 миллиардов лет.
Жизненный цикл солнцеподобной звезды, от ее рождения в левой части кадра до ее эволюции в красный гигант справа через миллиарды лет. Кредит: ЕСО/М. Корнмессер
Примерно через 1,1 миллиарда лет Солнце будет на 10 процентов ярче, чем сегодня. Это увеличение светимости также будет означать увеличение тепловой энергии, которую будет поглощать атмосфера Земли.
Это вызовет безудержный парниковый эффект, аналогичный тому, что превратило Венеру в ужасную теплицу, которой она является сегодня.
Через 3,5 миллиарда лет Солнце будет на 40 процентов ярче, чем сейчас, что приведет к закипанию океанов, постоянному таянию ледяных шапок, а весь водяной пар в атмосфере будет потерян в космосе. В этих условиях жизнь, какой мы ее знаем, не сможет выжить нигде на поверхности, и планета Земля полностью превратится в другой горячий и сухой мир, совсем как Венера.
Фаза красного гиганта:
Через 5,4 миллиарда лет Солнце войдет в так называемую фазу красного гиганта своей эволюции. Это начнется, когда в ядре иссякнет весь водород, а накопившаяся там инертный гелиевый пепел станет нестабильным и разрушится под собственным весом. Это приведет к тому, что ядро нагреется и станет более плотным, в результате чего Солнце увеличится в размерах.
Подсчитано, что расширяющееся солнце станет достаточно большим, чтобы охватить орбиты Меркурия, Венеры и, возможно, даже Земли.
Даже если бы Земля выжила после поглощения, ее новая близость к интенсивному жару этого красного солнца сожгла бы нашу планету и сделала бы существование жизни совершенно невозможным. Однако астрономы отметили, что по мере расширения Солнца орбита планеты, вероятно, также изменится.
Когда Солнце достигнет этой поздней стадии своей звездной эволюции, оно потеряет огромное количество массы из-за мощных звездных ветров. По сути, по мере своего роста он теряет массу, в результате чего планеты разворачиваются наружу по спирали. Итак, вопрос в том, догонит ли расширяющееся Солнце планеты, вращающиеся вовне, или Земля (и, возможно, даже Венера) вырвется из его хватки?
К.-П. Шредер и Роберт Кэннон Смит — два исследователя, которые занимались именно этим вопросом. В исследовательской статье под названием «Воззрение на далекое будущее Солнца и Земли», опубликованной в «Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества», они провели расчеты с использованием самых современных моделей звездной эволюции.
Согласно Шредеру и Смиту, когда Солнце станет красным гигантом через 7,59 миллиарда лет, оно начнет быстро терять массу. К тому времени, когда он достигнет своего наибольшего радиуса, в 256 раз превышающего нынешний размер, его масса уменьшится до 67 процентов от его нынешней массы. Когда Солнце действительно начнет расширяться, оно будет делать это быстро, охватывая внутреннюю часть Солнечной системы всего за 5 миллионов лет.
Затем он войдет в относительно короткую (130 миллионов лет) фазу горения гелия, после чего расширится за пределы орбиты Меркурия, а затем и Венеры. К тому времени, когда он приблизится к Земле, он будет терять 4,9 x 10 20 тонн массы каждый год (8 процентов массы Земли).
Но выживет ли Земля?:
Впечатление художника от красного гиганта. Предоставлено: НАСА/ Уолт Феймер.
Теперь все становится похоже на ситуацию «хорошие новости/плохие новости». Плохая новость, по словам Шредера и Смита, заключается в том, что Земля НЕ переживет расширение Солнца.
Несмотря на то, что Земля могла бы выйти на орбиту на 50 процентов дальше, чем сегодня (1,5 а.е.), у нее не будет такого шанса. Расширяющееся Солнце поглотит Землю как раз перед тем, как достигнет вершины фазы красного гиганта, и у Солнца будет еще 0,25 а.е. и 500 000 лет, чтобы расти.
Оказавшись внутри солнечной атмосферы, Земля столкнется с частицами газа. Его орбита распадется, и он будет двигаться по спирали внутрь. Если бы Земля сейчас находилась немного дальше от Солнца, на расстоянии 1,15 а.е., она смогла бы пережить фазу расширения. Если бы мы могли оттолкнуть нашу планету на такое расстояние, мы бы тоже были в деле. Однако такие разговоры носят исключительно умозрительный характер и на данный момент находятся в области научной фантастики.
А теперь хорошие новости. Задолго до того, как наше Солнце войдет в фазу красного гиганта, его обитаемая зона (какой мы ее знаем) исчезнет. По оценкам астрономов, эта зона расширится за пределы орбиты Земли примерно через миллиард лет.
Нагревающее солнце испарит земные океаны, а затем солнечная радиация выбьет водород из воды. На Земле никогда больше не будет океанов, и в конце концов она станет расплавленной.
Да, это хорошая новость… вроде того. Но плюс в том, что мы можем с уверенностью сказать, что человечество будет вынуждено покинуть гнездо задолго до того, как его поглотит солнце. И учитывая тот факт, что мы имеем дело с линиями времени, которые намного превосходят все, с чем мы действительно можем иметь дело, мы даже не можем быть уверены, что какое-то другое катастрофическое событие не заберет нас раньше или что мы не продвинемся далеко за пределы нашего нынешнего состояния. эволюционная фаза.
Интересным дополнительным преимуществом будет то, как изменение границ обитаемой зоны нашего Солнца изменит и Солнечную систему. В то время как Земля, находящаяся всего в 1,5 а.е., больше не будет находиться в обитаемой зоне Солнца, большая часть внешней Солнечной системы будет там. Эта новая обитаемая зона будет простираться от 490,4 а.