Есть три фактора, соревнующихся друг с другом, чтобы определить судьбу Земли, и тот, кто побеждает сейчас, не победит в конце.
Если бы вы могли измерить среднее расстояние от Земли до Солнца в течение всего года, вы бы обнаружили нечто тревожное. С каждым прошедшим годом, когда вы производили это измерение, вы обнаруживали, что Земля была немного дальше от Солнца - примерно на 1,5 сантиметра (0,6 дюйма) дальше , чем годом ранее. В течение миллиардов лет Земля мигрировала по своей орбите наружу, и эта тенденция должна продолжаться еще миллиарды лет.
Но это только временная ситуация. В конце концов, Земля потеряет свою орбитальную энергию и по спирали устремится к Солнцу, даже если Солнце не поглотит Землю в фазе красного гиганта. В далеком будущем Солнечной системы сыграет множество факторов, но, в конце концов, последнее слово будет за самим Эйнштейном. Вот как будет развиваться орбита Земли вплоть до горького конца.
Для большинства людей идея о том, что Земля со временем изменит свою орбиту, кажется странной и запутанной. В конце концов, движение планет было хорошо изучено еще со времен Кеплера, более 400 лет назад. Его первый закон движения планет - что планеты движутся по эллиптическим орбитам с Солнцем в одном фокусе - в точности верен в ньютоновской гравитации.
Это еще более впечатляет, если учесть, что сам закон всемирного тяготения Ньютона был выведен только спустя более 60 лет после того, как Кеплер изложил свои законы. И тем не менее, как законы Кеплера, так и законы Ньютона в действительности верны лишь приблизительно, с шестью отдельными эффектами, каждый из которых потенциально играет роль «спойлера» для того, что в противном случае было бы точным, совершенно стабильным решением. Вот краткое изложение каждого из них вместе с эффектами, которые они вызывают.
1.) Ядерный синтез на Солнце С каждой проходящей секундой значительное количество легких атомных ядер внутри Солнца превращаются в более тяжелые элементы и изотопы в процессе ядерного синтеза. Когда вы сплавляете легкие элементы с более тяжелыми, более тяжелые ядра оказываются более тесно связанными, что требует выделения энергии. Конечный продукт синтеза Солнца, гелий-4, на самом деле на 0,7% легче, чем четыре протона, которые объединились в результате цепной реакции, чтобы его произвести.
В общей сложности Солнце теряет в общей сложности 4 миллиона тонн массы из-за Эйнштейна E=mc² с каждой новой секундой. Эта потеря массы, какой бы малой она ни была, со временем накапливается. С каждым годом потеря этой массы из-за ядерного синтеза приводит к тому, что орбита Земли отклоняется от спирали на 1,5 см (0,6 дюйма) в год. За время своего существования Солнце потеряло массу, эквивалентную массе Сатурна, из-за ядерного синтеза.
2.) Земля разбивается на частицы, вращаясь вокруг Солнца Это было огромным эффектом в первые дни существования Солнечной системы.: назад, когда у нас все еще был протопланетный диск из материала, окружавший наше Солнце. Когда Солнце войдет в фазу красного гиганта своей жизни, это снова будет огромным эффектом, так как примерно через 7,6 миллиарда лет будет выброшено большое количество материи около 33% от общей массы Солнца .
В обоих случаях, когда этот материал столкнется с Землей, наша орбита изменится, причем точные изменения зависят от скорости материала относительно Земли: миграция внутрь, когда формируется Солнечная система, и миграция наружу миграция в конце жизни Солнца. Но сейчас нас больше всего поражают только частицы солнечного ветра: на мизерном уровне около 18 000 тонн в год. Сейчас это совершенно ничтожно мало: орбита Земли меняется примерно на ширину протона каждые миллион лет или около того.
3.) Гравитационные эффекты других массивных объектов в нашей Солнечной системе Это может иметь значение, а может и нет. В нашей Солнечной системе есть много объектов, которые вращаются вокруг Солнца или других тел. Все они имеют конечные, непренебрежимо малые размеры и массы, и взаимно воздействуют гравитационными силами друг на друга. Всякий раз, когда это происходит, существует вероятность того, что эти орбиты станут хаотическими и эволюционируют со временем.
Согласно последним исследованиям, существует примерно 1% шанс, что одна или несколько из четырех внутренних планет в нашей Солнечной системе сегодня - Меркурий, Венера, Земля и Марс - станут орбитально нестабильными в течение следующего несколько миллиардов лет. Если это произойдет, орбита Земли может значительно измениться, возможно, даже выбросив нашу планету на Солнце или полностью выбросив ее из Солнечной системы. Это самый непредсказуемый компонент нашей планетарной орбиты.
4.) Солнце превращается в красную звезду-гиганта Мы знаем, что это грядет, и мы также приблизительно знаем, к чему это приведет выглядит как. Внутреннее ядро сожмется и нагреется; внешние слои раздуются наружу и сильно разрастутся; в ядре звезды загорится синтез гелия; большая часть общей массы будет выброшена. Но самое главное, особенно для наших целей, внутренние планеты будут поглощены ныне расширенной красной гигантской звездой, в которую эволюционирует наше Солнце.
Меркурий исчезнет. Венера тоже будет поглощена. И Земля, если только она не сможет развернуться наружу более чем на 15% от своего текущего радиуса - что-то с сомнительной вероятностью, возможно, требующее орбитальной нестабильности в промежутке времени , также исчезнет. Однако, если предположить, что Земля выживет, а это возможно, выживание в фазе красного гиганта означает, что фаза раскручивания закончится.
5.) Другие объекты в галактике Время от времени большая масса, такая как звезда, коричневый карлик или планета-изгой пройдет близко к нашей Солнечной системе. Хотя крайне маловероятно, что такой объект пройдет достаточно близко, чтобы нарушить орбиту Земли до того, как Солнце станет красным гигантом, после того, как эта фаза пройдет, у нас впереди еще много времени. К тому времени, когда Вселенная возрастет примерно в 100 000 раз по сравнению с ее нынешним возрастом, станет вероятным тесное гравитационное столкновение.
С исчезновением Меркурия и Венеры Земля станет самой близкой планетой к нашему Солнцу. Когда происходит эта неизбежная встреча, вероятно, произойдет одно из двух. Либо вмешивающаяся масса будет сильно возмущать Землю, вызывая нестабильность ее орбиты, либо система Солнце-Земля (возможно, с Марсом, Юпитером и, возможно, другими оставшимися планетами) будет полностью выброшена из нашей родительской галактики. Это хаотичный и непредсказуемый процесс, и буквально все может произойти, если мы будем ждать достаточно долго.
6.) Гравитационное излучение Но если Земля останется привязанной к Солнцу - что-то очень вероятно произойдет, если остатки нашего солнечного Система выбрасывается из галактики - гравитационное излучение заставит Землю медленно вращаться по спирали к Солнцу. Всякий раз, когда две массы вращаются вокруг друг друга в теории гравитации Эйнштейна, общей теории относительности, излучаются гравитационные волны.
Учитывая нынешние массы и положение Солнца и Земли, это равносильно изменению орбиты всего на 1,5 аттометра в год, а это означает, что Земле требуется примерно тысячелетие, чтобы пройти по спирали на ширину одной протон. Но если в игре не останется других эффектов, это станет единственным, имеющим значение в космических масштабах времени. Если ничто другое не помешает этому, Земля свернется по спирали к Солнцу через колоссальные 1026 лет: в 10 квадриллионов нынешний возраст Вселенной.
Все шесть эффектов вполне реальны, и все они способствуют изменению орбиты Земли. Каждый из них в отдельности имеет возможность быть главным в разные эпохи.
- На самых ранних стадиях Солнечной системы, когда планеты и луны еще формируются, столкновения ранних планет и планетезималей доминируют в изменении орбиты Земли/протоземли.
- Сегодня потеря массы из-за ядерного синтеза преобладает над нынешним раскручиванием Земли.
- Если произойдет гравитационная нестабильность, влияние других планет может изменить или даже разрушить орбиту Земли до того, как мы станем красным гигантом.
- Во время превращения Солнца в красного гиганта все зависит от того, проглочена ли Земля или нет; если это так, то это конец линии для нашей планеты.
- После того, как Солнце станет белым карликом, начнется космическая игра в гравитационный пинбол; либо Земля отделится от Солнца, либо вся оставшаяся Солнечная система с неповрежденной Землей будет выброшена.
- Но если Земля просуществует так долго, она будет продолжать гравитационно-спиральную, пока, наконец, не будет поглощена черным карликом, в который в конце концов превратится наша звезда.
Прямо сейчас Земля медленно удаляется от Солнца, движимая безжалостным воздействием ядерного синтеза на Солнце. Со временем Солнце сжигает все больше и больше своего топлива, теряя при этом массу и ослабляя свою гравитационную хватку на Земле. Предполагая, что это будет продолжаться до тех пор, пока не наступит фаза красного гиганта, либо наша планета будет поглощена Солнцем в это время, либо доживет до того, как Солнце станет белым карликом.
В этот момент гравитационное излучение вызовет медленное затухание орбиты нашей планеты, после чего она начнет втягиваться в Солнце. Если через нашу Солнечную систему не пройдет объект-изгой и не выбросит Землю, эта спираль будет продолжаться, что в конечном итоге приведет к тому, что Земля упадет на звездный труп нашего Солнца, когда возраст Вселенной будет примерно в десять квадриллионов раз больше ее нынешнего возраста. Земля может пока дрейфовать от Солнца, но если мы останемся привязанными к нашей родительской звезде, гравитационное падение останется нашей неизбежной судьбой в долгосрочной перспективе.