[Перевод] Далёкое будущее нашей Солнечной системы

Если привести историю Вселенной с момента Большого взрыва и до сегодняшнего дня к масштабу «одного вселенского года», как бы тогда выглядело наше будущее?

Чтобы полюбить что-либо, необходимо представить, что вы можете это потерять.
— Г. К. Честертон

Один из самых интересных связанных со Вселенной фактов состоит в том, что несмотря на небольшой срок наблюдений, всего несколько сотен лет, люди, изучавшие основные компоненты и силы, составляющие нас и остальную Вселенную, смогли точно разобраться в ней.

Законы природы почти полностью поняты. Мы знаем, что возраст нашей Вселенной составляет примерно 13,8 миллиардов лет, несмотря на то, что длительность наших наблюдений варьировалась от нескольких долей секунды до нескольких лет. Наши исследования законов природы позволяют нам заглянуть в отдалённую историю Вселенной и понять, какой она была 13,8 миллиардов лет назад, и как она пришла к такому состоянию.

Это тем более впечатляюще, если мы перейдём на логарифмическое мышление. В отдалённом прошлом Вселенной, когда ей было всего 380 000 лет, было ещё слишком горячо для того, чтобы могли сформироваться нейтральные атомы. Это мы видим в остаточном свечении Большого взрыва – в реликтовом излучении! Это было в то время, когда возраст Вселенной составлял 0,0028% от сегодняшнего, или 1/36 300 долю сегодняшнего возраста.

Мы можем экстраполировать и дальше, в то время, когда во Вселенной появились первые ядра атомов, когда нам было всего 200 секунд от роду, или 4 × 10^-16 текущего возраста. А ещё раньше было так горячо, что пары материя/антиматерия рождались спонтанно, когда возраст Вселенной составлял 10^-18 от её текущего возраста, и ещё дальше, когда все частицы, создаваемые нами в ускорителях, включая бозон Хиггса, часто встречались во Вселенной, на максимально доступных для нашего научного понимания энергиях, в возрасте 10^-28 от её текущего,

Недавно я сделал картинку, показывающую важные события в истории не только на логарифмической шкале, но и на сжатой линейной шкале: как выглядела бы наша история, если вместо 13,81 млрд лет сжать её до календарного года. Результат оказался потрясающим и очень хорошо демонстрирует временные перспективы, которые мы можем оценить.

Некоторые события со шкалы:

• 1 января в 0:14 испускается реликтовое излучение, и формируются первые нейтральные атомы
• 3 января появляются первые звёзды
• 13 января испускает свет самая далёкая из видимых нами галактик
• 14 февраля начинают формироваться крупномасштабные структуры
• 6 марта появляются первые сформировавшиеся галактические скопления
• 3 сентября формируются Солнце и протопланетный диск
• 21 сентября на Земле появляются первые формы жизни
• 12 октября погибает Марс, теряя атмосферу
• 2 декабря на Земле появляются первые организмы, размножающиеся половым путём
• 30 декабря в 6:25 утра происходит последнее Великое вымирание, включающее и динозавров
• 31 декабря в 23:53 появляются первые люди
• 31 декабря в 23:59:59 люди выходят в космос

Но эта картинка рассказывает только о прошедшей истории. А что насчёт нашего будущего? Как сказал известный физик Нильс Бор, очень сложно делать предсказания, особенно касающиеся будущего.

Могу сказать, что ничего особенно приятного нас не ждёт. Лично я проживу примерно до 00:00:00.1 1 января «второго Вселенского года». Известные нам созвездия будут более-менее узнаваемыми до 0:02, а через несколько минут начнётся следующий ледниковый период.

Но это всё происходит так быстро из-за очень сильного сжатия временной шкалы. Зачем отвлекаться на такие мелкомасштабные события, если мы можем думать по-крупному? Наши законы физики позволяют нам проводить экстраполяцию не только в прошлое, но и в будущее. И мы можем начать с крупнейшего по угловому размеру объекта в нашем ночном небе: галактики Андромеды.

Как столкнутся Млечный путь и Андромеда

Через 3-5 миллиардов лет галактика Андромеда (и, очень возможно, меньшая галактика Треугольника) сольются с Млечным путём, что приведёт к кардинальному изменению структуры нашей галактики и ночного неба. Сейчас она находится в 2,5 световых годах от нас, но движется к нам со скоростью в 43 км/с, и, судя по лучшим симуляциям первое столкновение и взрывное формирование звёзд (4-й кадр на изображении вверху) случится через 3,8 млрд лет – или 10 апреля «второго Вселенского года». Закончится оно через 5,5 миллиардов лет, то есть 25 мая.

Из-за гравитации локальная группа галактик в результате сольётся с нами, но из-за тёмной энергии все остальные галактики и скопления – не связанные с нами сегодня – убегут от нас и покинут наблюдаемую часть Вселенной через миллиарды или сотни миллиардов лет.

Но, ни ускоренное расширение Вселенной, ни столкновение галактик не повлияют на нашу Солнечную систему. Кстати, вы знаете, сколько звёзд, скорее всего, столкнутся друг с другом из-за слияния двух крупнейших галактик нашей локальной группы? Всего шесть штук, из триллиона! Так что лучше мы сфокусируемся на нашем уголке космоса в Солнечной системе и посмотрим, что будет происходить конкретно у нас.

Солнце будет разогреваться с возрастом и вскипятит океаны примерно через 1-2 миллиарда лет – то есть 8 февраля 2 года, плюс-минус 2 недели – и уничтожит жизнь на Земле. Через 5-7 миллиардов лет в ядре Солнца закончится горючее, из-за чего оно превратится в красного гиганта, поглотив Меркурий и Венеру. Это случится 8 июня, плюс-минус месяц. Из-за особенностей звёздной эволюции система Земля/Луна будет выброшена наружу, и мы будем избавлены от судьбы наших внутренних соседей.

После сжигания оставшегося ядерного горючего – в основном, гелия – Солнце отбросит верхние слои, из-за чего появится планетарная туманность, а его ядро сожмётся и превратится в белого карлика. Такова судьба почти всех звёзд в нашей Вселенной. Но планеты всё так же будут вращаться вокруг холодного и тусклого звёздного трупа, и этот процесс завершится через 9,5 млрд лет, или 8 сентября 2 года.

Всё это время Земля продолжит вращаться вокруг Солнца, а Луна – притягиваться к Земле. Именно из-за этого и существует вращательный момент – из-за воздействия внешней силы на вращающийся объект. В результате Луна отдалится от Земли, одновременно замедляя скорость её вращения. Замедление будет трудно заметить – продолжительность дня уменьшается всего на 1,4 миллисекунды за сто лет. Но время у нас есть.

И после 50 миллиардов лет период обращения Луны составит уже 47 дней (по сравнению с сегодняшними 27,3), а наш 24-часовой день тоже замедлится, и станет равным 47 сегодняшним дням. В этот момент Земля и Луна будут приливно связаны друг с другом, то есть будут сохранять то же самое положение в небе друг у друга. Это произойдёт 14 августа «5-го вселенского года».

Белые карлики, в конце концов, станут чёрными, остыв и излучив всю энергию. Это займёт очень много времени: порядка 10¹⁶ лет по моим прикидкам, или примерно в миллион раз дольше текущего возраста Вселенной. Все их атомы будут на своих местах, просто их температура будет чуть выше, чем абсолютный ноль. В это время ночное небо будет чёрным, поскольку все звёзды нашей локальной группы выгорят. Это случится примерно в 724 000 вселенском году!

Примерно так будет выглядеть небо. Да, очень тёмным.

Галактика превратится в довольно жестокое место. Звёзды крайне малы по сравнению с расстояниями между ними – существует лишь 0,1% шанс того, что звезда типа Солнца на протяжении своего существования столкнётся с другой звездой. Но между нами, Андромедой и другими членами локальной группы существует порядка триллиона звёзд и звёздных останков. В этом хаосе типичная звёздная система может существовать очень долго без столкновений с чем-либо, но время у нас есть.

После примерно 10²¹ лет чёрный карлик в центре Солнечной системы столкнётся с ещё одним чёрным карликом, что приведёт к появлению сверхновой типа Ia, и уничтожит остатки Солнечной системы. Это случится примерно в 100-миллиардном вселенском году – что во вселенских годах уже больше, чем сегодняшний возраст Вселенной в земных годах!

По крайней мере, это может случиться. Это может быть концом жизненного пути многих звёзд нашей локальной группы, но не всех. Ведь существует ещё один процесс, который, по моим подсчётам, более вероятен в нашем случае – это гравитационный выброс звезды из локальной группы, известный, как «резкая разрядка» [violent relaxation]. В присутствии множества тел на хаотичных орбитах иногда одно из них резко покидает орбиту, а остальные оказываются связанными ещё более сильно.

Это периодически происходит в шаровых скоплениях и объясняет как их компактность, так и большое число отдельно живущих голубых звёзд – или старых звёзд, объединившихся в группу – в ядре этих древних реликтов!

Если нас выбросит, что тогда? Будут ли оставшиеся планеты вращаться вокруг мёртвой звезды в центре Солнечной системы вечно?

Если это случится, то у Вселенной будет достаточно времени, чтобы решить, что делать с нашей системой. И мы бы оставались в таком состоянии вечно, если бы не это ужасное гравитационное излучение!

Наши орбиты будут очень медленно уменьшаться со временем. Это может занять очень долго, порядка 10¹⁵⁰ лет, но в итоге Земля, и все планеты, уменьшат свои орбиты и по спирали упадут на центральную массу Солнечной системы. В это время разница между обычными годами и вселенскими годами будет уже не принципиальной – просто отнимите 10 от степени, и получите 10¹⁴⁰ вселенских лет.

Ещё больше времени, 10²⁰⁰ лет, если не больше, заняло бы спиральное падение последних нескольких звёзд локальной группы на центральную массу, оставшуюся от слияния Млечного пути и Андромеды. Но эта возможность меня уже не волнует.

Ведь этого не произойдёт! Поскольку находящаяся там чёрная дыра уже испарится благодаря излучению Хокинга! Оно устранит даже самые сверхмассивные чёрные дыры во Вселенной всего за 10¹⁰⁰ лет, а чёрные дыры солнечной массы – за 10⁶⁷ лет. Так что, если не существует иных механизмов разрушения, это самые большие временные промежутки, на которых может сохраниться то, что напоминает звёзды, галактики, чёрные дыры и солнечные системы.

Вот такое оно, далёкое будущее нашей Солнечной системы, основанное на известных нам сегодня законах физики!